Hoạt độ nước là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng, độ ổn định và thời gian bảo quản thực phẩm. Không chỉ phản ánh lượng nước tự do có sẵn cho vi sinh vật phát triển, hoạt độ nước trong thực phẩm còn ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học và enzyme, từ đó tác động đến kết cấu, hương vị và chất lượng sản phẩm.
MỤC LỤC
1. Hoạt độ nước của thực phẩm là gì?
Hoạt độ nước (ký hiệu là aw) thể hiện hàm lượng nước tự do tồn tại trong sản phẩm hoặc vật chất. Hoạt độ nước được xác định là tỷ lệ giữa áp suất hơi của nước trong vật chất (P) chia cho áp suất bay hơi của nước tinh khiết (Po) ở cùng điều kiện nhiệt độ. Nước cất có hoạt độ nước bằng 1,0. Công thức tính hoạt độ nước:
aw= P/ Po
Trong đó:
- P – áp suất hơi riềng phần của nước trong thực phẩm;
- Po – áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất (nước) ở cùng điều kiện nhiệt độ với P.
Hoạt độ nước (aw) còn được hiểu là độ ẩm tương đối cân bằng của nguyên liệu thực phẩm khi đạt trạng thái cân bằng với độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh ở một nhiệt độ xác định. Khi đạt trạng thái cân bằng này, thực phẩm không hấp thụ hay mất nước theo thời gian.
Ở điều kiện cân bằng, hoạt độ nước của một dung dịch hoặc một thực phẩm bằng với áp suất hơi tương đối mà chúng tạo ra trong môi trường khí bao quanh. Mối quan hệ giữa hoạt độ nước và độ ẩm tương đối được biểu diễn theo công thức:
aw = Độ ẩm tương đối/ 100
2. Ý nghĩa của hoạt độ nước trong thực phẩm và bảo quản thực phẩm
Hoạt độ nước (water activity – aw) là một thông số đặc trưng phản ánh mức độ liên kết của nước với cấu trúc nội tại của thực phẩm. Giá trị aW thể hiện lượng nước tự do có thể tham gia vào các quá trình như hòa tan, bay hơi hoặc đóng băng, cũng như mức độ nước bị liên kết hóa học và không khả dụng.
Hoạt độ nước ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm theo nhiều cách khác nhau. Đồ thị sau minh họa mối quan hệ giữa hoạt độ nước, độ ẩm và tốc độ tương đối của các quá trình như oxy hóa lipid, phản ứng hóa nâu không do enzyme, phản ứng thủy phân, hoạt động enzyme, cũng như sự phát triển của nấm mốc, nấm men và vi khuẩn.
Nhìn chung, khi hoạt độ nước giảm, tốc độ phát triển của vi sinh vật, phản ứng enzyme và quá trình hóa nâu phi enzyme đều bị ức chế. Tuy nhiên, quá trình oxy hóa lipid lại tăng lên ở thực phẩm có độ ẩm thấp. Đặc biệt, phản ứng Maillard (hóa nâu phi enzyme) đạt mức tối đa ở khoảng hoạt độ nước trung gian (0,6–0,7), cho thấy sự cần thiết của việc kiểm soát nhanh chóng khi thực phẩm chuyển từ mức hoạt độ nước trung bình sang cao.
Hoạt độ nước tối thiểu để vi sinh vật có thể phát triển là 0,6, trong khi các vi khuẩn gây bệnh yêu cầu mức aw tối thiểu là 0,86. Thực phẩm sấy khô đến mức hoạt độ nước dưới 0,3 có độ ổn định cao, giúp kéo dài thời gian bảo quản một cách hiệu quả.
Sự chuyển trạng thái thủy tinh (Tg) của thực phẩm thường xảy ra trong khoảng hoạt độ nước từ 0,35 đến 0,45. Dưới Tg, vật liệu có trạng thái thủy tinh, giòn hoặc cứng, trong khi trên Tg, vật liệu trở nên dẻo với kết cấu từ dai đến mềm hoặc dính. Một số thực phẩm sấy khô nhằm đạt độ giòn bằng cách giảm hoạt độ nước xuống dưới ngưỡng chuyển trạng thái thủy tinh.
3. Đường đẳng nhiệt hấp thụ
Mối quan hệ giữa hàm lượng nước và hoạt độ nước của một thực phẩm được thể hiện bởi đường đẳng nhiệt hấp thụ. Nếu biểu diễn bằng đồ thị, với trục tung là hàm lượng nước của thực phẩm (g nước/ 100 g chất khô), trục hoành là nồng độ hơi nước cân bằng của khí quyển với sản phẩm (độ ẩm tương đối hoặc aw) thì đường cong thu được gọi là đường đẳng nhiệt hấp thụ và phản hấp thụ.
Hoạt độ nước và hàm lượng ẩm của một số loại thực phẩm (bên phải)
Ý nghĩa của đường đẳng nhiệt hấp thụ & phản hấp thụ
Đường đẳng nhiệt hấp thụ cho phép dự đoán trước hoạt độ nước của một hỗn hợp các thành phần có độ ẩm khác nhau, cũng như những biến đổi của thực phẩm khi được bảo quản trong điều kiện khác với điều kiện ban đầu.
Ví dụ, khi độ ẩm không khí thay đổi, thực phẩm không có bao bì bảo vệ sẽ hút ẩm từ môi trường. Nếu bao bì có khả năng thấm hơi nước, có thể tính toán lượng nước hấp thụ và dự đoán thời gian bảo quản thực phẩm ở mức chất lượng chấp nhận được. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng từ T lên T + t, nước trong thực phẩm có xu hướng bị tách ra (phản hấp thụ). Quá trình khử nước diễn ra mạnh mẽ hơn nếu sự gia tăng nhiệt độ đi kèm với sự giảm độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh.
Có sự khác biệt đáng kể giữa đường đẳng nhiệt hấp thụ của thực phẩm có hàm lượng nước cao và thực phẩm có hàm lượng nước thấp. Đối với thực phẩm có hàm lượng nước thấp (<40%), chỉ một thay đổi nhỏ về hàm lượng ẩm cũng có thể dẫn đến biến động lớn về hoạt độ nước. Đường đẳng nhiệt hấp thụ cung cấp thông tin quan trọng về các trạng thái tồn tại của nước trong thực phẩm.
Phương pháp xác định đường đẳng nhiệt hấp thụ (hoặc phản hấp thụ)
Đường đẳng nhiệt hấp thụ có thể thu được bằng phương pháp thực nghiệm đối với mỗi sản phẩm và ở một nhiệt độ nhất định.
Để xây dựng đường đẳng nhiệt hấp thụ, người ta đặt các mẫu của cùng một thực phẩm khô có trọng lượng đã biết trong một dãy bình kín có độ ẩm tương đối của không khí tăng dần. Còn để xây dựng đường đẳng nhiệt phản hấp thụ thì tiến hành đặt các mẫu của cùng một thực phẩm ướt có trọng lượng đã biết trong một dãy bình có độ ẩm tương đối giảm dần. Khi đạt được cân bằng, thực hiện đo khối lượng nước ở các mẫu. Từ số liệu thực nghiệm thu được, vẽ đồ thị W = f(aw).
Đọc thêm bài viết liên quan: Tổng hợp các phương pháp xác định độ ẩm; Quy trình xác định độ ẩm chi tiết nhất.
4. Phương pháp xác định hoạt độ nước
Hoạt độ nước nguyên chất được quy ước bằng đơn vị. Hoạt độ nước của một dung dịch hay một thực phẩm luôn nhỏ hơn 1.
Có nhiều phương pháp xác định hoạt độ nước.
Phương pháp nội suy
Để mẫu phân tích có trọng lượng nhất định trong các bình hút ẩm có độ ẩm tương đối khác nhau (sử dụng dung dịch muối bão hòa hoặc dung dịch axit sulfuric có nồng độ nhất định). Các bình hút ẩm được để ở cùng một nhiệt độ nhất định (có thể dùng thiết bị điều nhiệt) sau thời gian từ 2 giờ đến 24 giờ. Cân trọng lượng các mẫu phân tích và tính sự biến thiên trọng lượng của các mẫu.
Vẽ đồ thị với trục y biểu diễn sự biến thiên trọng lượng mẫu và trục x biểu diễn độ ẩm tương đối cân bằng (y = f(x)). Điểm cắt nhau của đường thẳng với trục hoành là độ ẩm tương đối cân bằng (hay aw) của sản phẩm.
Máy đo hoạt độ nước
Hoạt động của nước có thể được đo bằng thiết bị đo hoặc đầu đo (ví dụ: HC2A-AW hoặc AwEasy), sử dụng cảm biến nhiệt độ PT100 và cảm biến độ ẩm điện dung (WA-1). Đầu tiên, mẫu được đặt trong hộp đựng mẫu. Sau đó, đầu đo được đặt trên hộp đựng mẫu để tạo vi khí hậu và chờ đạt trạng thái cân bằng.
Cảm biến độ ẩm điện dung trong đầu đo sẽ đo độ ẩm tương đối trong vi khí hậu của hộp đựng mẫu. Dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm tương đối được sử dụng để tính hoạt động của nước trong mẫu. Kết quả được hiển thị trên màn hình của thiết bị đo.
5. Yếu tố quyết định hoạt độ nước
Hoạt độ nước liên quan đến hàm lượng nước tự do trong thực phẩm. Sản phẩm có hàm ẩm cao thường chứa nhiều nước tự do, do đó có hoạt độ nước cao.
Có thể giảm hoạt độ nước bằng cách tách nước, hoặc thêm các chất hòa tan khác nhau vào sản phẩm để làm tăng hàm lượng nước liên kết. Hoạt độ nước không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học mà còn bị ảnh hưởng bởi trạng thái vật lý của sản phẩm. Protein và tinh bột thường giữ nước nhiều hơn so với lipid và các hợp chất kết tinh như muối, đường.
Hoạt độ nước của thực phẩm chứa protein bị ảnh hưởng bởi pH và lực ion. Khi các chuỗi protein liên kết với nhau, nước hấp thụ – đặc biệt là nước tự do – sẽ bị đẩy ra, có thể bị chảy hay bốc hơi. Ở pH đẳng điện, khả năng giữ nước của protein đạt mức tối tiểu. Ở các pH cực trị, protein tích điện cùng dấu và đẩy nhau, giúp thực phẩm giữ nước tốt hơn.
Ngoài ra, hoạt độ nước cũng có thể giảm do lực mao dẫn. Nước bị giữ trong mao quản là nước tự do, trong khi, nước ở thành mao quản là nước liên kết. Sự giảm hoạt độ nước phụ thuộc vào đường kính mao quản và cấu trúc thực phẩm.
6. Phương pháp điều chỉnh hoạt độ nước
Hoạt độ nước của một thực phẩm có thể được điều chỉnh bằng cách bổ sung các thành phần hoặc phụ gia có aw khác nhau. Một ví dụ điển hình là việc thêm muối NaCl. Các hợp chất hữu cơ như glucose, glyxerin và propylenglycol thường được sử dụng để giảm hoạt độ nước trong thực phẩm. Một số loại đường khác như fructose, mantose có tác dụng tương tự nhưng ít được sử dụng hơn. Đặc biệt, đường nghịch đảo đóng vai trò quan trọng trong việc giảm aw của một số loại bánh kẹo.
7. Các câu hỏi thường gặp (FAQs)
Sự khác nhau giữa độ ẩm và hoạt độ nước trong thực phẩm?
Hàm lượng ẩm (Moisture Content) là chỉ số cho biết lượng nước có trong một sản phẩm. Trong các sản phẩm thực phẩm, nước thường ở dưới 2 dạng: Nước tự do và nước liên kết.
Hoạt độ nước (Water Activity) là thước đo lượng nước tự do, tức là nước không bị liên kết, và có sẵn cho vi sinh vật sử dụng để phát triển. Do đó, aw đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát an toàn thực phẩm.
Điều kiện hoạt độ nước tạo điều kiện cho sự phát triển của vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm ?
Hoạt độ nước (aw) là yếu tố quan trọng quyết định khả năng phát triển của vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm.
Nếu hoạt độ của nước được duy trì ở giá trị < 0,90, hầu hết vi khuẩn ở trạng thái ngủ đông. Trong khi đó, phần lớn nấm men có thể phát triển và sinh sôi ở hoạt độ nước thấp > 0,7. Mức aw tối thiểu để nấm mốc phát triển là 0,6.
TỪ VỰNG TIẾNG ANH CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM:
- Water activity: là hoạt độ nước
- Moisture content: Độ ẩm/ Hàm lượng ẩm
- Free water >< Bound water: Nước tự do >< Nước liên kết
- Moisture sorption/ desorption isotherms curves: Đường đẳng nhiệt hấp thụ/ phản hấp thụ độ ẩm
- Partial vapour pressure (P): Áp suất hơi riêng phần
- Vapour pressure of pure water (Po): Áp suất hơi của nước tinh khiết
- Glass transition (Tg): Chuyển đổi thủy tinh.
1. M.R. Okos, O. Campanella, G. Narsimhan, R.K. Singh, A.C. Weitnauer, Food Dehydration – Handbook of Food Engineering, 3rd ed., CRC Press, 2018. https://doi.org/10.1201/9780429449734-11.
2. Neil H. Mermelstein, Measuring Moisture Content & Water Activity. Food Technology Magazine, Vol 63(11).
3. Ryan Renshaw, New insights into RF and microwave drying of foods, 2016.
Tham khảo bài viết vui lòng ghi rõ nguồn: https://foscitech.vn/phuong-phap-xac-dinh-hoat-do-nuoc-thuc-pham-la-gi/
