اندازه گیری رطوبت و فعالیت آبی در مواد غذایی

میزان رطوبت و فعالیت آبی - نسبت فشار بخار آب یک ماده مانند غذا به فشار بخار آب آب خالص در شرایط یکسان - در فرمول بندی محصولات برای ایمنی و ثبات اهمیت دارد.

محتوای رطوبت در مقابل فعالیت آب

محتوای رطوبت به سادگی مقدار آب موجود در یک محصول است. این بر خواص فیزیکی یک ماده از جمله وزن، چگالی، ویسکوزیته، رسانایی و موارد دیگر تأثیر می گذارد. به طور کلی با کاهش وزن هنگام خشک شدن تعیین می شود.

فعالیت آبی، aW، معیاری است برای اینکه چقدر از آن آب آزاد است، یعنی نامحدود است، و بنابراین در دسترس میکروارگانیسم ها برای رشد است. بنابراین از نظر ایمنی غذا بسیار مهم است. میکروارگانیسم ها زیر سطح مشخصی از فعالیت آب رشد نخواهند کرد - برای اکثر باکتریهای بیماری زا 0.90 وات، برای کپک های ایجاد کننده فساد 0.70 و برای همه میکروارگانیسم ها 0.60. در حالی که دما، pH، در دسترس بودن اکسیژن و چندین عامل دیگر می توانند بر رشد ارگانیسم در محصول تأثیرگذار باشند، فعالیت آب اغلب مهمترین عامل است. فعالیت آب همچنین از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی نقش دارد.

ما در حال حاضر ابزارهایی داریم که می توانند آب را اندازه گیری کنند. فعالیت فرمولاسیون آزمایشگاه یا گیاه آزمایشی و نشان می دهد که آیا محصول قبل از تولید کار می کند یا خیر. وی افزود، هنگامی که محصول در حال تولید واقعی است، می توانیم از اندازه گیری اساساً به عنوان یک نوع کنترل فرایند استفاده کنیم - می توانیم تعیین کنیم که آیا باید محصول را بیشتر خشک کنیم، بیشتر بپزیم، سرعت تسمه یا زمان فر را کنترل کنیم یا خیر. به زودی. او گفت که محتوای رطوبت به طور کلی به عنوان اندازه گیری نهایی در تولید مورد استفاده قرار می گیرد، اما فعالیت آب کنترل دقیق تری را ایجاد می کند و اگر در خط نباشد، در خط افزایش می یابد.

اندازه گیری میزان رطوبت

روشهای زیادی برای تعیین میزان رطوبت وجود دارد. روشهای اولیه مورد استفاده عبارتند از خشک کردن و تیتراسیون کارل فیشر.

خشک شدن. در این روش، یک نمونه مرطوب روی ترازو وزن می شود، در کوره قرار داده می شود و تا پایان دوره خشک شدن، یعنی تا زمانی که نمونه به حالت تعادل برسد، گرم می شود. کاهش وزن میزان رطوبت نمونه است. در موازنه رطوبت، این فرآیند با گرم کردن نمونه به روش های مختلف، از جمله مادون قرمز، هالوژن و مایکروویو، سریعتر می شود.

کارل فیشر در این روش، مقدار آب در یک نمونه مستقیماً با تیتراسیون با معرف کارل فیشر، که شامل یدید، دی اکسید گوگرد، یک باز و یک سیستم حلال است، تعیین می شود. دو روش تیتراسیون وجود دارد: تیتراسیون کولومتری برای نمونه هایی با رطوبت بسیار کم (<0.03٪) و تیتراسیون حجمی برای نمونه هایی با رطوبت .00.03 ≥. در تیتراسیون کولومتری، نمونه به معرف اضافه می شود و اکسیداسیون الکترولیتی باعث تولید ید می شود. مقدار ید تولیدی متناسب با برق (تعداد کولن) مورد استفاده است که به نوبه خود متناسب با مقدار آب نمونه است. در تیتراسیون حجمی، یک نمونه به حلال بدون رطوبت اضافه می شود و با معرف تیتر می شود، که تیتر آن (میلی گرم آب/میلی لیتر معرف) مشخص است. نقطه پایانی تیتراسیون، که با روش ولتاژ قطبش جریان ثابت تعیین می شود، نشان دهنده میزان رطوبت نمونه است.

در حالی که روش از دست دادن در خشک شدن باعث از بین رفتن هرگونه ماده فرار می شود، روش کارل فیشر مخصوص آب است.

اندازه گیری فعالیت آب

ما نمی توانیم یک probe را در نمونه وارد کنیم تا مستقیماً فعالیت آب آن را اندازه گیری کنیم. در عوض، فعالیت آب با قرار دادن نمونه در یک محفظه بسته و تعادل دادن آب فاز مایع در نمونه با آب فاز بخار در فضای سر و اندازه گیری رطوبت نسبی فضای سر اندازه گیری می شود. از آنجا که فعالیت آب نسبت فشار بخار آب نمونه به فشار بخار آب آب خالص در شرایط یکسان است، همچنین برابر با رطوبت نسبی تعادل، ERH (بیان شده در درصد) ، تقسیم بر 100 است.

از دو نوع ابزار برای اندازه گیری فعالیت آب استفاده می شود. که هر نوع مزایا و معایبی دارد و روش ها در دقت، تکرارپذیری، سرعت اندازه گیری، ثبات در کالیبراسیون، خطی بودن و راحتی استفاده متفاوت است.

سنسورهای ظرفیت این سنسورها که خازن سنج یا رطوبت سنج الکتریکی نیز نامیده می شوند، از دو صفحه باردار تشکیل شده اند که توسط یک غشای پلیمری رطوبت سنج جدا شده اند. همانطور که غشا آب را جذب می کند، توانایی آن برای نگه داشتن بار افزایش می یابد. تغییر ظرفیت خازنی تقریباً متناسب با فعالیت آب است که توسط سنسوری که بر اساس استانداردهای نمک اشباع شده کالیبره شده تعیین شده است. سنسور سیگنالی نسبت به ERH و در نتیجه فعالیت آب (به عنوان ERH/100) می دهد. ابزارهای تجاری موجود در کل دامنه فعالیت آب را با دقت 0.015 aw  اندازه گیری می کنند.

سیستم شبنم آینه سرد شده. با عبور هوا از سطح سرد شده که دمای آن به تدریج کاهش می یابد، دمایی که در آن بخار آب شروع به متراکم شدن می کند دمای نقطه شبنم است که مستقیماً با فشار بخار هوا ارتباط دارد. این سیستم، تنها توسط دکاگون ارائه شده است، شامل یک بلوک سنسور حاوی یک سنسور نقطه شبنم، یک دماسنج مادون قرمز و یک فن است. یک نمونه در یک فنجان نمونه قرار می گیرد که در برابر بلوک سنسور مهر و موم شده است. سنسور نقطه شبنم دمای نقطه شبنم هوا را اندازه گیری می کند و دماسنج مادون قرمز دمای نمونه را اندازه گیری می کند. رطوبت نسبی فضای سر به عنوان نسبت دمای نقطه شبنم فشار بخار اشباع به فشار بخار اشباع در دمای نمونه محاسبه می شود. هنگامی که فعالیت آب نمونه و رطوبت نسبی هوا در تعادل است، اندازه گیری رطوبت فضای سر، فعالیت آب نمونه را نشان می دهد. ابزارهای آینه سرد بدون نیاز به کالیبراسیون در کمتر از 5 دقیقه اندازه گیری های دقیق (0.003 aw) انجام می دهند.

تعیین ایزوترم های جذب رطوبت

رابطه بین میزان رطوبت و فعالیت آب یک محصول توسط ایزوترم های جذب رطوبت توصیف می شود - منحنی هایی که آنها را در دمای خاص به یکدیگر مرتبط می کنند. ایزوترم جذب رطوبت برای هر محصول و دما منحصر به فرد است. روشهای مختلفی برای تعیین ایزوترم رطوبت وجود دارد.

روش استاتیک سنتی

یک نمونه غذا در معرض جوهای مختلف با رطوبت ثابت تولید شده توسط محلول های نمک اشباع شده در مجموعه ای از محفظه های مهر و موم شده قرار می گیرد که همگی در یک دما نگهداری می شوند. پس از رسیدن به تعادل، میزان رطوبت به طور کلی به صورت گرانشی (با کاهش یا افزایش وزن) تعیین می شود. محلولهای نمک اشباع شده این مزیت را دارند که تا زمانی که مقدار نمک موجود در سطح اشباع باشد، رطوبت ثابت را حفظ کنند.

روش جذب دینامیکی بخار (DVS). در این روش، روش استاتیک سنتی با ابزار دقیق خودکار می شود. یک نمونه تحت شرایط مختلف رطوبت و درجه حرارت تعیین شده توسط کاربر و کنترل توسط دستگاه قرار می گیرد. پاسخ نمونه به صورت گرانشی اندازه گیری می شود. این ابزارها از کنترل کننده های جریان جرمی استفاده می کنند، یکی برای هوای خشک و دیگری برای هوای اشباع از آب برای ایجاد نسبت هوای مرطوب به خشک. آنها می توانند تقریباً هر رطوبت نسبی را از 0 تا 98 تأمین کنند. آنها طوری برنامه ریزی شده اند که بین سطوح مختلف رطوبت به طور خودکار چرخه بزنند و رطوبت را در هر سطح ثابت نگه دارند تا تعادل حاصل شود.

روش ایزوترم (Dynamic Dewpoint (DVIاین روش که فقط توسط دکاگون استفاده می شود، فعالیت آب را در حالی که وزن را به صورت گرانشی ردیابی می کند، اندازه گیری می کند، بنابراین هیچ گونه وابستگی ای به تعادل فعالیت های از پیش تعیین شده آب وجود ندارد و این امر با سایر روش های دیگر ایزوترم تفاوت اساسی دارد. جذب با عبور هوای مرطوب اشباع شده از روی نمونه انجام می شود و دفع با عبور هوای خشک شده از روی نمونه انجام می شود. پس از تغيير تقريبي 0.015 در فعاليت آب، جريان هوا متوقف شده و با اندازه گيري مستقيم فعاليت آب و وزن، تصويري از روند جذب گرفته مي شود. به گفته کارتر، سریعتر از روش DVS است.

هنگامی که ایزوترم ایجاد شد، می توان از آن برای تعیین غیر مستقیم رطوبت ناشی از اندازه گیری فعالیت آب با ایجاد معادله ای که منحنی را توصیف می کند، استفاده کرد. پس از به دست آوردن داده های ایزوترم، ما باید داده ها را بر اساس مدل ایزوترم بیان کنیم که طیف وسیعی از مقادیر فعالیت آب و اشکال ایزوترم را شامل می شود. متداول ترین مدلها مدل(Guggenheim – Anderson – deBoer (GAB و مدل  Brunauer, Emmett, and Teller  (BET)هستند. کارتر گفت که دکاگون مدل دیگری را ایجاد کرده است، چند جمله ای دو لا (DLP) ، که آن را برتر از سایر مدلها می داند زیرا به طور مداوم تناسب بهتری با داده ها در کل محدوده فعالیت آب ارائه می دهد. مدل ها با استفاده از داده های جمع آوری شده در طول تولید ایزوترم به صورت تجربی تعیین می شوند و از معادله حاصل می توان برای محاسبه میزان رطوبت با استفاده از فعالیت آب استفاده کرد.

برخی از برنامه های نرم افزاری، مانند نرم افزار SorpTrac Decagon ، می توانند ایزوترم را مدل سازی کرده و ضرایب معادله را به صورت خودکار ایجاد کنند، و اکثر ابزارهای DVS دارای نرم افزاری برای تجزیه و تحلیل داده ها هستند.

دو اندازه گیری در یک ابزار

کارتر می گوید از آنجا که میزان رطوبت و فعالیت آب در حال حاضر با استفاده از تکنیک ها یا ابزارهای جداگانه اندازه گیری می شود، انجام هر دو تجزیه و تحلیل در یک ابزار باعث صرفه جویی در وقت و نیروی کار می شود. این ایده پشت معرفی Decagon در فوریه 2009 AquaLab Series 4TE Duo بود.

این دستگاه از یک آینه سرد برای تعیین فعالیت آب استفاده می کند. هنگامی که مدل ایزوترم جذب رطوبت برای یک محصول خاص در دستگاه بارگذاری می شود، فعالیت آب را به رطوبت تبدیل می کند و محتوای aw و رطوبت را روی صفحه نمایش می دهد. کاربر ابزار می تواند از کتابخانه ای از مدل های ایزوترم انتخاب کند.

از آنجا که ایزوترم جذب رطوبت پیچیده و منحصر به فرد برای هر نوع محصول است، باید با اندازه گیری میزان آب در چندین مقدار فعالیت آب به صورت تجربی تعیین شود. دکاگون ابزار جداگانه ای به نام AquaSorp ارائه می دهد که می تواند به سرعت ایزوترم ها را ایجاد کند و سپس می تواند در AquaLab Duo بارگیری شود.

پیشرفت ها و چالش ها

در پیشرفت فعالیت آب هیچ پیشرفت مهمی جز استفاده از آن برای پیش بینی خودکار میزان رطوبت صورت نگرفته است. ابزارهایی برای اندازه گیری فعالیت آب پیشرفت هایی داشته است، اما روش ها یکسان است.

با توجه به تعیین میزان رطوبت، شلی اشمیت (sjs@illinois.edu) ، استاد شیمی مواد غذایی در دانشگاه ایلینوی-اوربانا، گفت که تیتراسیون کارل فیشر هنوز بهترین روش کلی برای تعیین میزان رطوبت رطوبت متوسط و غذاهای کم رطوبت، اما به تلاش و زمان زیادی نیاز دارد. به گفته وی، اگر برای استفاده معمول و منظم، مانند تنظیمات تضمین کیفیت تنظیم شود، 5 تا 10 دقیقه طول می کشد، اما اگر برای استفاده معمول نباشد، راه اندازی آن زمان زیادی طول می کشد، زیرا برای هر فرمول، کاربر باید تصمیم بگیرد که کدام سیستم حلال بهتر کار می کند.

پیشرفت هایی در توسعه روش ها و ابزارهای سریع برای اندازه گیری میزان رطوبت و ایزوترم جذب رطوبت وجود دارد. او گفت که لزوماً جدید نیستند، اما اکنون سریعتر و قابل اطمینان تر هستند. به عنوان مثال، خشک شدن هالوژن نسبت به سایر انواع گرمایش مادون قرمز مزیت دارد، که باعث می شود دما سریعتر بالا برود و بنابراین زمان تجزیه و تحلیل را کوتاه می کند.

تولیدکنندگان رطوبت خودکار می توانند ایزوترم های جذب را بسیار سریعتر از روشهای سنتی محلول نمک اشباع شده در روز، به جای هفته یا ماه بدست آورند. تحقیقات روی فرمولاسیون جدید شامل تغییر ترکیبات است، بنابراین لازم است برای هر یک ایزوترم جذب رطوبت تعیین شود. در روش سنتی از محلول های نمک اشباع استفاده می شود که برای تعادل به هفته ها تا ماه ها نیاز است. به گفته وی، چند شرکت دیگر در حال حاضر ابزارهایی را تولید می کنند که رطوبت نسبی را به غیر از محلول های نمک اشباع شده تولید می کنند، بنابراین زمان مورد نیاز را به ساعت یا روز کاهش می دهند.

چندین شرکت ژنراتور ایزوترم خودکار تولید می کنند، اما نسبتاً گران هستند. آنها در کاهش زمان تولید ایزوترم ها به خوبی عمل کرده و به کاربر اجازه می دهند سایر اطلاعات مربوط به جذب، مانند داده های جنبشی، محتوای بی شکل و گرمای جذب را به دست آورد، اما مراقبت بیشتری نسبت به محلول های نمک اشباع شده نیاز دارند. مزیت دیگر این است که کاربر می تواند ایزوترم را در طیف وسیعی از دما به دست آورد، در حالی که قبلاً کاربر برای کنترل دما نیاز به خرید دستگاه جوجه کشی داشت.

در بین پیشرفتهای دیگر، توانایی مشاهده نمونه در محفظه نمونه در هنگام جذب آب است.

به عنوان مثال، سیستم DVS Advantage از سیستم اندازه گیری سطح ، یک میکروسکوپ ویدئویی و یک پورت Raman (برای قرار دادن یک کاوشگر طیف سنجی Raman) ارائه می دهد، بنابراین می توانید اطلاعات بصری و ساختاری را از نمونه در طول آزمایش جذب مشاهده و ضبط کنید.

یکی از چالش های پیش رو، تعیین میزان رطوبت نمونه هایی است که دارای کربوهیدراتهای ساده و/یا پیچیده و/یا چربی هستند. غذاهای با رطوبت متوسط بیشترین چالش را دارند. به عنوان مثال، محتوای کربوهیدرات بالا منجر به تخریب حرارتی و برآورد بیش از حد رطوبت می شود.

چالش دیگر این است که چگونه می توان مقدار واقعی فعالیت آب را بدست آورد اگر محصول فرارهایی غیر از آب دارد، مانند پروپیلن گلیکول یا اتانول. تمام ابزارهای کنونی به هر طریقی تحت تأثیر فرارها قرار می گیرند. یک چالش دیگر توسعه روشی برای اندازه گیری فعالیت آب به صورت آنلاین است. او گفت که ما می توانیم فعالیت آب را به صورت خطی اندازه گیری کنیم اما نه به صورت آنلاین، به استثنای برخی از سیستم های مادون قرمز نزدیک، اما چالش این است که نتایج تکرار شونده به دست آید. با خطوط تولید، مواد در حرکت ثابت هستند. برخی از تولید کنندگان خشک کن و اکسترودر دارای سیستم هایی هستند که میزان رطوبت را بصورت آنلاین اندازه گیری می کنند، اما ترجیحاً اندازه گیری فعالیت آب ترجیح داده می شود. با این حال، اندازه گیری فعالیت آب یک آزمایش تعادل است، بنابراین انجام آن بر روی یک کمربند متحرک غیرممکن است زیرا در حالت تعادل نیست. کارتر گفت، Decagon به بررسی فناوری های جدید برای مقابله با این چالش ها ادامه می دهد.

محتوای رطوبت به سادگی مقدار آب موجود در یک محصول است. این بر خواص فیزیکی یک ماده از جمله وزن، چگالی، ویسکوزیته، رسانایی و موارد دیگر تأثیر می گذارد. به طور کلی با کاهش وزن هنگام خشک شدن تعیین می شود. روشهای زیادی برای تعیین میزان رطوبت وجود دارد. روشهای اولیه مورد استفاده عبارتند از خشک شدن و تیتراسیون کارل فیشر.

نرم افزار فعالیت آب در فرمولاسیون کمک می کند

Adria Developpement  یک برنامه کامپیوتری ایجاد کرده است که فعالیت آب را به عنوان تابعی از ترکیب یک محصول محاسبه می کند.

گفته می شود AwDesigner فعالیت آب را با همان دقت روشهای اندازه گیری کلاسیک تعیین می کند و عمر مفید محصولات غذایی جدید را پیش بینی می کند. این پایگاه داده شامل 160 ماده شامل نشاسته، کنسانتره پروتئین، فیبر، صمغ، آرد، چربی، محصولات تخم مرغ، ادویه جات ترشی جات، گوشت، غلات، میوه ها و سبزیجات - و 70 افزودنی غذایی از جمله مواد نگهدارنده، آنتی اکسیدان ها، امولسیفایرها، تثبیت کننده ها است و عوامل ژل زایی.

این نرم افزار شامل مدل های ریاضی برای محاسبه فعالیت آب هر فرمول بر اساس خواص رطوبتی فازهای مایع و جامد است که غذا را تشکیل می دهد. محاسبات بر اساس مدلهای منتشر شده - Guggenheim -Anderson -de Boer (GAB) و Ferro -Fontan برای فاز جامد و Teng و Roa برای فاز مایع است.