Vai trò của Hoạt độ Nước đối với Chất lượng và An toàn Thực phẩm
Giám sát aw là một điểm kiểm soát quan trọng đối với nhiều hoạt động của ngành công nghiệp thực phẩm
Tầm quan trọng của hoạt độ nước (aw) trong hệ thống thực phẩm không thể được nhấn mạnh quá mức. Trong suốt lịch sử, hoạt động của nước trong thực phẩm đã được kiểm soát bằng cách làm khô, thêm đường hoặc muối và đóng băng. Những phương pháp này ngăn ngừa hư hỏng và duy trì chất lượng thực phẩm. Hoạt độ nước là tỷ số giữa áp suất hơi riêng phần của nước ở trạng thái cân bằng trong thực phẩm với áp suất hơi bão hòa riêng phần của hơi nước trong không khí ở cùng nhiệt độ. Đây là độ ẩm tương đối của không khí cân bằng với thực phẩm. Hoạt độ nước của thực phẩm mô tả trạng thái năng lượng của nước trong thực phẩm và do đó nó có khả năng hoạt động như một dung môi và tham gia vào các phản ứng hóa học / sinh hóa và sự phát triển của vi sinh vật. Đây là một đặc tính quan trọng được sử dụng để dự đoán tính ổn định và an toàn của thực phẩm liên quan đến sự phát triển của vi sinh vật, tỷ lệ phản ứng hư hỏng và các đặc tính hóa học / vật lý.
Sự công nhận ngày càng tăng về nguyên tắc hoạt động của nước được minh họa bằng việc nó được kết hợp vào các quy định của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) và Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA), Thực hành Sản xuất Tốt (GMP) và Phân tích mối nguy & Điểm kiểm soát tới hạn (HACCP), và gần đây nhất là Tiêu chuẩn Dự thảo Quốc tế NSF 75. Mục đích của các quy định này là trình bày chi tiết các yêu cầu cụ thể, các điểm kiểm soát quan trọng và các thực hành mà ngành công nghiệp phải tuân theo để đảm bảo rằng các sản phẩm được sản xuất trong điều kiện vệ sinh và tinh khiết, lành mạnh và an toàn. Các công nghệ thiết bị mới đã cải thiện đáng kể tốc độ, độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo hoạt độ nước và chắc chắn là một công cụ cần thiết cho chất lượng và an toàn thực phẩm.
Tổng quan
Trong suốt lịch sử, con người đã kiểm soát hoạt động nước của thực phẩm thông qua việc làm khô, thêm muối hoặc đường và đông lạnh để thực phẩm trở nên ổn định trước sự hư hỏng của vi sinh vật và hóa học. Các nhà sản xuất thực phẩm ngày nay đều có cùng mục tiêu là tạo ra một sản phẩm ổn định và an toàn. Điều này có nghĩa là các sản phẩm phải lành mạnh và không gây nguy hiểm cho sức khỏe của người tiêu dùng bằng các vi sinh vật hoặc độc tố của chúng. Lợi thế ngày nay là kiến thức và hiểu biết về tầm quan trọng của hoạt động nước trong việc kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật và do đó ảnh hưởng đến thời hạn sử dụng và độ an toàn của sản phẩm.
Trung tâm Kiểm soát Dịch bệnh (CDC) cho biết bệnh do thực phẩm gây ra khoảng 76 triệu ca bệnh, 325.000 ca nhập viện và 5.000 ca tử vong hàng năm ở Hoa Kỳ. Các tác nhân gây bệnh đã biết, chẳng hạn như Salmonella, Escherichia coli O157: H7, Campylobacter và Listeria monocytogenes, ước tính khoảng 14 triệu ca bệnh, 60.000 ca nhập viện và 1.800 ca tử vong. Với những số liệu thống kê đáng kinh ngạc như thế này, người ta sẽ không tin rằng Hoa Kỳ có nguồn cung cấp thực phẩm an toàn nhất. Dựa trên dữ liệu giám sát của FoodNet từ năm 1997 đến năm 1999, bệnh tật do vi khuẩn gây bệnh từ thực phẩm phổ biến nhất đã giảm gần 20%. Sự sụt giảm này cho thấy ít nhất 855.000 người Mỹ mắc bệnh do vi khuẩn gây ra mỗi năm trong thực phẩm kể từ năm 1997. Bằng cách sử dụng hoạt động của nước và kiểm soát các rủi ro thực phẩm lớn, chẳng hạn như các chất gây ô nhiễm vi sinh vật, ngành công nghiệp thực phẩm có thể đảm bảo tốt hơn sự an toàn của các sản phẩm của mình.
Hậu quả của lỗi vi sinh, đặc biệt khi chúng liên quan đến việc thu hồi sản phẩm, có thể rất tốn kém. Việc nhận diện thương hiệu và doanh số bán hàng cuối cùng có thể bị ảnh hưởng do người tiêu dùng liên quan đến việc thu hồi các sản phẩm khác do một công ty cụ thể sản xuất. Trong một thế giới ngày càng gia tăng áp lực và nguồn lực ngày càng giảm, nhu cầu tăng cường các chương trình đảm bảo chất lượng vi sinh vẫn chưa giảm bớt. Trên thực tế, việc quản lý chất lượng vi sinh đang có nhiều áp lực hơn bao giờ hết. An toàn thực phẩm phải được kiểm soát trong suốt quá trình sản xuất từ đầu đến cuối, thay vì dựa vào việc phát hiện các vấn đề trong thành phẩm.
Rất ít đặc tính nội tại quan trọng như hoạt tính của nước trong việc dự đoán sự tồn tại của vi sinh vật trong sản phẩm thực phẩm.
Scott đã chỉ ra rằng vi sinh vật có mức hoạt động nước giới hạn dưới mức mà chúng sẽ không phát triển. [1] Hoạt độ của nước, không phải hàm lượng nước, xác định giới hạn dưới của nước sẵn có cho sự phát triển của vi sinh vật. Hoạt độ nước (Aw) thấp nhất mà phần lớn vi khuẩn làm hỏng thực phẩm sẽ phát triển là khoảng 0,90. Staphylococcus aureus trong điều kiện yếm khí bị ức chế ở mức aw là 0,91, nhưng về mặt hiếu khí thì mức độ này là 0,86. Aw đối với sự phát triển của nấm mốc và nấm men là khoảng 0,61 với giới hạn thấp hơn đối với sự phát triển của nấm mốc gây độc tố là 0,78 aw.
[2] Bảng 1 liệt kê các giới hạn hoạt động của nước đối với sự phát triển của các vi sinh vật có ý nghĩa đối với sức khỏe cộng đồng và các ví dụ về thực phẩm trong các phạm vi đó.
Hoạt động nước được xác định như thế nào
Hoạt động của nước có nguồn gốc từ các nguyên tắc cơ bản của nhiệt động lực học và hóa học vật lý. Như một nguyên tắc nhiệt động lực học, có yêu cầu trong việc xác định hoạt độ nước phải được đáp ứng. Các yêu cầu này là: nước tinh khiết (aw = 1,0) là trạng thái tiêu chuẩn, hệ thống ở trạng thái cân bằng và nhiệt độ được xác định. Ở trạng thái cân bằng: µ = µo + RT 1n (f / fo)
(*) Trong đó: µ (J mol-1) là thế hóa học của hệ, tức là hoạt độ nhiệt động hoặc năng lượng trên một mol chất; là thế hóa học của vật liệu nguyên chất ở nhiệt độ T (° K); R là hằng số khí (8,314 J mol-1 K-1); f là độ bám dính hay là xu hướng thoát ra của một chất; và fo là xu hướng thoát khỏi vật chất nguyên chất. [3] Hoạt độ của một loài được xác định là a = f / fo. Khi xử lý với nước, một chỉ số phụ được chỉ định cho chất, aw = f / fo
trong đó aw là hoạt độ của nước, hoặc xu hướng thoát ra của nước trong hệ thống chia cho xu hướng thoát ra của nước tinh khiết không có bán kính cong. Đối với các mục đích thực tế, trong hầu hết các điều kiện mà thực phẩm được tìm thấy, độ bám dính (hay hệ số loãng dần) gần đúng với áp suất hơi (f ≈ p) sao cho: aw = f / fo ≈ p / po
Cân bằng đạt được trong một hệ thống khi µ như nhau ở mọi nơi trong hệ thống. Sự cân bằng giữa pha lỏng và pha hơi cho thấy µ là như nhau trong cả hai pha. Chính thực tế này cho phép đo pha hơi để xác định hoạt độ nước của mẫu.
Hoạt độ nước được định nghĩa là tỷ số giữa áp suất hơi của nước trong vật liệu (p) với áp suất hơi của nước tinh khiết (po) ở cùng nhiệt độ. Độ ẩm tương đối của không khí được định nghĩa là tỷ số giữa áp suất hơi của không khí với áp suất hơi bão hòa của nó. Khi đạt được trạng thái cân bằng hơi và nhiệt độ, hoạt độ nước của mẫu bằng với độ ẩm tương đối của không khí bao quanh mẫu trong một buồng đo kín. Nhân hoạt độ nước với 100 sẽ cho độ ẩm tương đối cân bằng (ERR) tính bằng phần trăm. aw = p / po = ERH (u / 0) / 100
Hoạt độ nước là thước đo tình trạng năng lượng của nước trong hệ thống. Có một số yếu tố kiểm soát hoạt động của nước trong hệ thống. Hiệu ứng đối chiếu của các chất hòa tan (ví dụ như muối hoặc đường) tương tác với nước thông qua các liên kết lưỡng cực-lưỡng cực, ion và hydro. Hiệu ứng mao dẫn trong đó áp suất hơi của nước trên mặt khum cong của chất lỏng nhỏ hơn áp suất của nước nguyên chất do sự thay đổi liên kết hydro giữa các phân tử nước. Tương tác bề mặt trong đó nước tương tác trực tiếp với các nhóm hóa học trên các thành phần chưa hòa tan (ví dụ: tinh bột và protein) thông qua lực lưỡng cực-lưỡng cực, liên kết ion (H3O hoặc OH-), lực van der Waals (liên kết kỵ nước) và liên kết hydro. Sự kết hợp của ba yếu tố này trong một sản phẩm thực phẩm làm giảm năng lượng của nước và do đó làm giảm độ ẩm tương đối so với nước tinh khiết. Các yếu tố này có thể được nhóm lại dưới hai loại chính là hiệu ứng thẩm thấu và hiệu ứng kết dính
Do các mức độ khác nhau của tương tác thẩm thấu và độ kết dính, hoạt độ của nước mô tả sự liên tục của các trạng thái năng lượng của nước trong một hệ thống. Nước dường như bị “ràng buộc” bởi các lực ở các mức độ khác nhau. Đây là một chuỗi liên tục của các trạng thái năng lượng chứ không phải là một “giới hạn” tĩnh. Hoạt động của nước đôi khi được định nghĩa là “tự do”, “ràng buộc” hoặc “nước sẵn có” trong một hệ thống. Mặc dù các thuật ngữ này dễ hình thành khái niệm hơn, nhưng chúng không xác định đầy đủ tất cả các khía cạnh của khái niệm hoạt độ nước.
Hoạt độ của nước phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ làm thay đổi hoạt độ của nước do những thay đổi trong liên kết nước, sự phân ly của nước, độ hòa tan của các chất béo trong nước, hoặc trạng thái của chất nền. Mặc dù độ tan của các chất tan có thể là một yếu tố kiểm soát, việc kiểm soát thường là từ trạng thái của chất nền. Vì trạng thái của chất nền (trạng thái thủy tinh so với trạng thái cao su) phụ thuộc vào nhiệt độ, không nên ngạc nhiên rằng nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt tính nước của thực phẩm. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt độ nước của thực phẩm là đặc trưng của sản phẩm. Một số sản phẩm làm tăng hoạt độ nước khi nhiệt độ tăng, một số sản phẩm khác giảm aw khi nhiệt độ tăng, trong khi hầu hết các thực phẩm có độ ẩm cao thay đổi không đáng kể theo nhiệt độ. Do đó, người ta không thể dự đoán ngay cả hướng thay đổi của hoạt độ nước theo nhiệt độ, vì nó phụ thuộc vào cách nhiệt độ ảnh hưởng đến các yếu tố kiểm soát hoạt động của nước trong thực phẩm.
Như một phép đo năng lượng tiềm năng, nó là động lực cho sự di chuyển của nước từ các vùng có hoạt độ nước cao đến các vùng có hoạt độ nước thấp. Các ví dụ về đặc tính năng động này của hoạt độ nước bao gồm sự di chuyển độ ẩm trong thực phẩm nhiều thành phần (ví dụ như bánh sandwich phô mai bánh quy giòn), sự di chuyển của nước từ đất đến lá cây và áp suất chuyển động của tế bào. Vì tế bào vi sinh vật có nồng độ chất tan cao được bao quanh bởi màng bán thấm, nên tác động thẩm thấu lên năng lượng tự do của nước là rất quan trọng để xác định mối quan hệ với nước của vi sinh vật và tốc độ phát triển của chúng.
Những tiến bộ trong Đo lường Hoạt động Nước
(*tham khảo thêm về Máy đo EZ-200 Freund tiến bộ mới trong Đo lường Hoạt độ Nước)
Không có thiết bị nào có thể đưa vào thực phẩm đo trực tiếp hoạt độ của nước. Thay vào đó, aw được đo bằng phương pháp gián tiếp như đã mô tả ở trên. Một mẫu thực phẩm được đặt trong một buồng nhỏ và nước trong không khí được đo sau khi nó cân bằng với mẫu. Các phương pháp xác định hoạt độ nước được trình bày chi tiết trong Phương pháp phân tích chính thức của AOAC Quốc tế. [4] Các công nghệ thiết bị mới đã cải thiện đáng kể tốc độ, độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo. Cần có thiết bị đo lường đáng tin cậy trong phòng thí nghiệm để đảm bảo an toàn của các sản phẩm thực phẩm và thực thi các quy định của chính phủ. Hai loại dụng cụ hoạt độ nước khác nhau được bán trên thị trường. Một sử dụng công nghệ điểm sương gương lạnh trong khi công nghệ kia đo độ ẩm tương đối bằng các cảm biến thay đổi điện trở hoặc điện dung. Mỗi người đều có những ưu điểm cũng như những khuyết điểm. Các phương pháp khác nhau về độ chính xác, độ lặp lại, tốc độ đo, độ ổn định trong hiệu chuẩn, độ tuyến tính và sự tiện lợi khi sử dụng.
Ứng dụng của khái niệm hoạt độ nước
Từ định nghĩa trước, có thể dễ dàng hiểu hoạt độ nước hữu ích như thế nào trong việc dự đoán độ ổn định và an toàn thực phẩm đối với sự phát triển của vi sinh vật, tốc độ phản ứng hóa học / sinh hóa và các đặc tính vật lý. Bằng cách đo và kiểm soát hoạt độ nước của thực phẩm, có thể dự đoán vi sinh vật nào sẽ là nguồn gây hư hỏng và nhiễm trùng tiềm ẩn; duy trì sự ổn định hóa học của thực phẩm; giảm thiểu các phản ứng hóa nâu không do enzym và các phản ứng oxy hóa lipid tự xúc tác tự phát; kéo dài thời gian hoạt động của các enzym và vitamin trong thức ăn; và tối ưu hóa các đặc tính vật lý của thực phẩm, chẳng hạn như kết cấu và thời hạn sử dụng. [5,6]
Bản đồ ổn định về hoạt độ nước (Hình 1) của thực phẩm cho thấy các yếu tố này như một chức năng của hoạt độ nước. [7]
Sự công nhận ngày càng tăng về nguyên tắc và vai trò của hoạt độ nước được minh họa bằng sự kết hợp của nó vào các quy định của FDA và USDA, các yêu cầu của GMP và HACCP, và gần đây nhất là trong Tiêu chuẩn Dự thảo Quốc tế NSF 75. Hoạt độ của nước là một điểm kiểm soát quan trọng quan trọng để phân tích rủi ro theo định nghĩa khái niệm của HACCP. Các quy định và yêu cầu này dựa trên định nghĩa của Bộ luật Thực phẩm FDA hiện hành về các loại thực phẩm có khả năng gây nguy hiểm. Thực phẩm tiềm ẩn nguy cơ là những thực phẩm cần kiểm soát nhiệt độ vì chúng hỗ trợ sự phát triển nhanh chóng và tiến triển của vi sinh vật gây bệnh. Thực phẩm tiềm ẩn nguy cơ nguy hiểm không bao gồm các vật phẩm có giá trị hoạt độ nước từ 0,85 trở xuống, thực phẩm có độ pH từ 4,6 trở xuống, thực phẩm đựng trong hộp kín chưa mở nắp, những thực phẩm duy trì độ vô trùng thương mại trong điều kiện bảo quản và phân phối không được làm lạnh, hoặc những thực phẩm trong đó nhanh chóng và sự phát triển tiến triển của vi sinh vật gây bệnh không thể xảy ra.
Phần kết
Phòng ngừa sẽ tiếp tục là trọng tâm đối với an toàn thực phẩm từ cả quan điểm của nhà chế biến và chính phủ. Nhiều công ty đã và đang sử dụng HACCP một cách tự nguyện, ngoài các chương trình bắt buộc về thịt, gia cầm và hải sản. Bao gồm trong các chương trình GMP và HACCP là các bước yêu cầu hệ thống cảnh báo sớm, đánh giá rủi ro, cải tiến các phương pháp phát hiện / kiểm soát và cải thiện kiểm tra và tuân thủ.
Giám sát hoạt độ của nước là một điểm kiểm soát quan trọng đối với nhiều nhà sản xuất và nên được kết hợp vào nhiều chương trình an toàn thực phẩm khác. Ưu tiên số một là bảo vệ người tiêu dùng. Việc thu hồi có thể gây thiệt hại hàng triệu đô la cho sản phẩm và sự chậm trễ trong hoạt động, cùng với đó là mất niềm tin của người tiêu dùng và danh tiếng của công ty. Kết hợp kiểm tra hoạt độ nước và các phân tích dựa trên khoa học khác vào một chương trình an toàn thực phẩm giúp đảm bảo cung cấp thực phẩm chất lượng cao nhất và an toàn nhất.
(*) Trích dẫn và tham khảo tư liệu từ nguồn báo khoa học của Tiến sĩ Anthony J. Fontana Jr
Tiến sĩ Anthony J. Fontana Jr., là kỹ sư ứng dụng tại Decagon Devices, Inc. Ông cung cấp dịch vụ hỗ trợ khách hàng về khoa học và kỹ thuật, đồng thời thuyết trình về các sản phẩm, công nghệ, kỹ thuật và ứng dụng cho khách hàng. Anh ấy cũng hỗ trợ phát triển và thử nghiệm sản phẩm / công nghệ. Trước khi làm việc tại Decagon, ông đã quản lý một phòng thí nghiệm kiểm soát chất lượng cho một nhà sản xuất pho mát lớn, whey protein cô đặc/Sự cô đặc protein từ sữa lỏng, rượu và hỗn hợp thức ăn chăn nuôi.
Fontana nhận bằng cử nhân hóa sinh tại Đại học California, Riverside năm 1985, và bằng tiến sĩ hóa nông nghiệp và môi trường tại Đại học California, Davis năm 1994.
[popup_trigger id=”5795″ tag=”ez200″ classes=”popmake-5795″]
