4. Физические принципы определения активности воды и технические средства

4.1. Методы определения активности воды

Определение активности воды в пищевых продуктах осуществляется прямыми и косвенными методами (рис. 11). К прямым методам относится манометрический способ измерения давления водяных паров (непосредственное измерение) с помощью манометров.

Рис. 11. Классификация основных методов определения активности воды в пищевых продуктах

К косвенным методам определения активности воды относятся гигрометрические, температурные и хроматографический методы. Все подвиды косвенных методов (способы) определения активности воды, за исключением криоскопического, битермального и хроматографического, являются гигрометрическими.

К гигрометрическим методам определения активности воды относятся следующие способы: адсорбционно-деформационный, электролитический, электросорбционный, сорбционно-частотный, психрометрический и способ определения температуры «точки росы». Последние два гигрометрических способа одновременно относятся к температурным методам.

К температурным методам определения активности воды относятся криоскопический и битермальный способы.

Кратко рассмотрим наиболее часто применяющиеся методы и подвиды методов (способы).

Манометрический метод хорошо обоснован с позиции термодинамики, применяется в качестве арбитражного метода. Манометрический способ подразделяется на жидкостный метод и ёмкостный метод (и установки, соответственно), в зависимости от типа манометра. На рис. 2 (п.п. 3.1) показана упрощённая схема вакуумной установки манометрического типа с жидкостным манометром. Ёмкостные манометры и вакуумметры применяются с целью повышения надёжности установок.

Для повышения точности отсчёта показаний жидкостных манометров вместо линейки применяются различные оптические приспособления, чаще катетометры (линейные микроскопы, например марки «КМ – 8» или «В – 630»), позволяющие определять положение уровня жидкости с точность ± 0,01 мм.

Все установки манометрического типа оснащаются откачивающими системами, состоящими из вакуум-насосов, устройств улавливания водяных паров и контролирующих приборов. Для стабилизации температуры рабочих ёмкостей применяются как суховоздушные термостаты, так и водяные ультратермостаты.

Гигрометрические методы определения активности воды в настоящее время получили наибольшее распространение. Они основаны на определении равновесной относительной влажности воздуха (РОВ) над поверхностью исследуемого продукта. При этом достигается термодинамическое (в том числе гигрометрическое) равновесие между образцом исследуемого продукта и воздухом в замкнутом пространстве. Активность воды определяется по формуле (27).

Разновидностями гигрометрических методов являются адсорбционно-деформационный, электролитический, электросорбционный и сорбционно-частотный.

Достоинствами этих методов является простота конструкции, применения и относительно невысокая стоимость приборов, определение активности воды в широком диапазоне её значений (0,05 – 0,99), а недостатками большинства из них – значительное количество операций в процедуре измерения, большая продолжительность одного измерения (от 30 мин до 4 ч), невысокая точность измерения.

Адсорбционно-деформационный метод определения активности воды основывается на явлении изменения линейных размеров некоторых материалов в зависимости от относительной влажности воздуха окружающей среды. Этот метод впервые предложен Соссюром в 1773 году. В качестве чувствительного элемента применяется человеческий волос, целлофан, различные искусственные волокна, бумага и т. д. В Германии (ФРГ, 1986 г.) для исследования различных пищевых продуктов фирма “Lufft” выпустила измеритель активности воды “a_w – Wert – Messer”, у которого в качестве чувствительного элемента используется предварительно состаренная полиамидная нить. Шкала активности воды растянута в диапазоне 0,7 – 1,0 ед. a_w, наиболее часто используемом в практике. Время одного измерения составляет 2–3 часа, точность – ±0,01 ед. a_w. Главным недостатком таких приборов является сорбционный гистерезис чувствительного элемента.

Электролитические гигрометры являются наиболее распространёнными приборами для определения активности воды. Выходной величиной у приборов такого типа, как правило, служит электропроводность ненасыщенных растворов неорганических кислот или солей. Подавляющее большинство типов чувствительных элементов имеет в своей основе хлористый литий. Для улучшения стабильности и надёжности чувствительных элементов электролит наносится на подложку в смеси с поверхностно-активными веществами (датчик Данмора). Основой конструкции большинства современных электролитических гигрометров служит датчик, разработанный в Швейцарии, у которого на основание (твёрдый диэлектрик) методом напыления нанесены два электрода из благородного материала, соединённые кварцевым или стеклянным стержнем диаметром около 0,2 мм. Клинообразный зазор между стержнем и поверхностью основания заполнен раствором хлористого лития с некоторыми добавками. Раствор соли удерживается капиллярными силами. Датчики подобного типа имеют высокую чувствительность (также и в диапазоне низкой влажности), но не обладают достаточной надёжностью.

Многие зарубежные фирмы (“SINA”, “Beckman”, “ISO”, “Silver Spring”, “Rotronic” {марка “А2101”} и др.) в 70 – 80-е годы прошлого века выпускали широкий ассортимент гигрометров, имеющих в принципе одинаковые характеристики чувствительных элементов, но различающихся набором вторичных приборов и вспомогательных устройств. Применялись как стрелочные, так и цифровые индикаторы. Большинство гигрометров имели точность измерения ±0,005 ед. a_w и время измерения не менее одного часа. Главными их недостатками являлись нестабильность метрологических характеристик при высоких значениях a_w и высокая стоимость.

В электросорбционных гигрометрах объектом измерения являются электрические характеристики поверхности или объёма гигроскопичного материала. Распространение получили как пористые, так и плёночные чувствительные элементы.

Среди первых следует отметить алюминиево-оксидные датчики (АОД), предложенные Джейсоном. Они имеют в качестве влагочувствительного элемента плёнку окиси алюминия, полученную на поверхности чистого алюминия электролитическим путём. Изменение режима анодирования позволяет получить нужные параметры оксидной плёнки – толщину и пористость. Характеристики АОД определяются, главным образом, свойствами оксидной плёнки. Датчик гигрометра «МСМ» состоит из анодированного алюминиевого стержня, на поверхность которого намотана спираль из тонкой изолированной плёнки. В гигрометре «ШОУ» наружным электродом служит тонкая золотая плёнка, покрытая окисью алюминия.

К плёночным чувствительным элементам относится датчик гигрометра фирмы “Valsala Humicap” (Финляндия), отличительной особенностью которого является наличие внутри рабочей камеры микровентилятора, позволяющего сократить время установления равновесия до 0,5 ч.

В электросорбционных гигрометрах применяются схемы измерения электрической ёмкости или проводимости. Алюминиево-оксидные датчики имеют низкую стоимость, высокую механическую прочность и высокую технологичность в изготовлении. Препятствием к их широкому применению является лишь то, что до сих пор не решена полностью задача долговременной стабилизации их характеристик.

Сорбционно-частотный метод определения активности воды основан на измерении изменения массы гигроскопического материала за счёт поглощения им влаги из окружающей среды. Роль весов выполняет пьезоэлектрический кварцевый резонатор. «Пьезоэлектрическое микро - взвешивание» основано на зависимости изменения собственной частоты колебаний, распространяемых в пластине пьезоэлектрического элемента, от изменения массы вещества, нанесённого на поверхность пластины. Главное достоинство способа «пьезокварцевого микро - взвешивания» заключается в его чрезвычайно высокой чувствительности, позволяющей регистрировать изменение массы на уровне 10⁻¹¹ г. Кроме того, необходимо отметить высокую стабильность характеристик кварцевых резонаторов, их небольшой вес и размеры, достаточно высокую механическую прочность. В качестве влагочувствительных материалов при изготовлении датчиков применяется ряд диэлектриков, таких как Cd F₂ и др. Датчик с плёнкой Cd F₂ толщиной 4,4 мкм при низких значениях влажности имеет чувствительность порядка 200 Гц на 1 % относительной влажности воздуха. Наиболее подходящими сорбентами с точки зрения стабильности, широты диапазона измерения и динамических характеристик являются водонерастворимые полимеры, например производные поливинилового спирта, полиакрилонитрил, гетероцепные полиамиды, поликапроамид. Последний материал удовлетворяет большинству предъявляемых требований и обеспечивает воспроизводимость технологии изготовления пьезокварцевых влагочувствительных элементов и, следовательно, их взаимозаменяемость.

Психрометрический метод определения активности воды основан на определении значения относительной влажности воздуха (ОВВ) в замкнутом объёме с исследуемым пищевым продуктом психрометрическим способом. Он заключается в вычислении ОВВ по температуре «сухого» термометра и разности показаний между «сухим» и «мокрым» термометрами. С поверхности чувствительного элемента последнего испаряется дистиллированная вода. Оба термометра обдуваются воздухом, находящимся в термодинамическом равновесии с исследуемым продуктом. Этот метод является достаточно точным и оперативным, но требует большого количества пищевого продукта для подготовки исследуемой пробы и значительного объёма измерительной воздушной камеры.

Метод определения температуры «точки росы» довольно часто применяется для аналитических исследований. Этот метод основан на принципе Реньо, согласно которому сухой воздух и содержащиеся в нём пары воды подчиняются одному и тому же закону уменьшения объёма при понижении температуры и при условии сохранения постоянного барометрического давления. Это означает, что в случае медленного и равномерного охлаждения объёма влажного воздуха при постоянном общем давлении, парциальные давления воздуха и паров воды остаются постоянными по величине в течение всего процесса охлаждения до тех пор, пока не достигается температура, при которой пары воды становятся насыщенными. Тогда относительная влажность воздуха определяется по формуле, в которой переменными величинами являются температура «точки росы» T_р и величина давления насыщенного водяного пара при начальной температуре воздуха P_нас (T₀). Для обнаружения водного конденсата используется несколько способов: оптический, кондуктометрический, радиационный (α- или β-излучение), диэлькометрический методы. Оптический способ наиболее распространён. При работе с оптическими средствами индикации особое значение приобретает влияние загрязнений и растворимых веществ, способствующих ранней нестабильности индикации и практически повышающих температуру «точки росы».

Rödel и др. описали гигрометр «точки росы» фирмы “EG & G” (модель 880), модернизированный для определения активности воды пищевых продуктов [22]. Гигрометр состоит из 4-х измерительных камер, регистрирующего прибора с избирательным переключателем и цифрового индикатора, показывающего температуру в камере и температуру «точки росы». Активность воды определяется по таблицам или номограмме, исходя из значения этих температур. Охлаждение воздуха в тонком слое вплоть до начала конденсации водяных паров производится элементом Пельтье, встроенным в золотое зеркало. Благодаря регулированию охлаждения зеркала, с помощью фотоэлемента с целью получения постоянной температуры достигается высокая точность измерения. При условии термостатирования измерительных камер при температуре 25 °C точность этого гигрометра выше ±0,005 ед. a_w. Время исследования составляет 3–4 часа. По мнению исследователей, гигрометры такого типа целесообразно применять в лабораторных исследованиях.

В течение последних нескольких лет этот метод был значительно усовершенствован, до категории экспресс-метода определения показателя a_w пищевых продуктов. На его основе созданы такие приборы, как гигрометры компаний “Decagon” (марка “Aqualab”) – производство США. Диапазон измерения показателя a_w у этих приборов составляет 0,05 (0,10) – 1,00, продолжительность измерения – около 5 мин.

Известен также анализатор активности воды пищевых продуктов “Roremeter RM – 10” (фирма “NAGY”, Германия), с помощью которого возможно измерять показатель в диапазоне 0,100 – 1,000 ед. a_w с точностью ±0,005 ед. a_w методом определения температуры «точки росы». Продолжительность одного измерения составляет 5–8 минут.

Температурные методы определения активности воды

Битермальный метод определения активности воды основан на сравнении температур испарения с поверхности исследуемого пищевого продукта и дистиллированной воды, которые помещены в одинаковые условия и обдуваются воздухом с одинаковыми теплофизическими параметрами (температура, ОВВ, скорость движения, барометрическое давление). Данный метод является простым в аппаратурном оформлении, продолжительность измерения составляет 3–5 мин, но его объективность и точность относительно низка по причине высыхания поверхности тестируемого продукта.

Криоскопический метод определения активности воды. Это экспресс-метод, основанный на определении температуры начала замерзания воды в исследуемом образце пищевого продукта. Известен прибор под маркой “Kriometer AWK–20” (фирма “NAGY”, Германия), в котором реализован криоскопический метод. Конструкция прибора состоит из измерительной и холодильной частей, [11]. В качестве датчика температуры используют платиновый термометр сопротивления. Холодильная часть включает низкотемпературный агрегат, который обеспечивает определенную температуру (t_min= – 50…– 25 °С) жидкого носителя холода, который циркулирует в специальном термостате. В нём располагается измерительная кювета. Исследуемую пробу продукта размещают в измерительной кювете, в центральную её часть устанавливают термометр сопротивления, после чего кювету помещают в среду жидкого хладагента непосредственно в термостате. Измерения производят путём получения кривой охлаждения-замораживания исследуемого образца, при этом криоскопическая температура определяется по криоскопической точке. Это точка перегиба на экспериментальной кривой (термограмма замораживания продукта), а именно осуществляется нахождение точки минимальной скорости снижения температуры (dt/dτ = min), которая является результатом выделения скрытой теплоты кристаллообразования воды.

Полученное значение криоскопической температуры автоматически пересчитывается в значение активности воды продукта с помощью формулы, выведенной для этого метода сотрудниками фирмы “NAGY”.

Достоинством метода является высокая воспроизводимость (0,0005 ед. a_w) при точности измерения до 0,002 ед. a_w, малое время измерения (5–20 мин), компактность конструкции средства измерения. При этом приборы можно применять как в лабораторных исследованиях, так и при производственном контроле качества пищевых продуктов непосредственно в ходе технологического процесса. Недостатком метода является узкий диапазон измерения – 0,800–1,000 ед. a_w, [20].

Известно также измерительное устройство для определения активности воды высоковлажных пищевых продуктов криоскопическим методом (отечественная экспериментальная разработка), в котором исследуемый образец замораживается термоэлектрическим холодильником (ТЭХ) [20]. Термоэлектрический холодильник работает на основе эффекта Пельтье, заключающегося в том, что при подаче постоянного электрического тока на термопару один её спай охлаждается, а второй нагревается. В термоэлектрическом модуле термопары собраны в прямоугольный блок, при этом холодные спаи размещены с одной стороны пластины, а тёплые – с другой. На холодной стороне термоэлектрического модуля смонтирован охлаждающий цилиндр, в котором размещена измерительная ёмкость (гильза). В измерительную ёмкость помещается исследуемая проба, в которой располагается точно вдоль центральной оси цилиндра платиновый термометр сопротивления. Сверху охлаждающий цилиндр и измерительная ёмкость (гильза) закрываются крышкой, оснащённой теплоизоляцией. Охлаждающий цилиндр со дна и боковой поверхности также покрыт теплоизоляцией. Тёплая сторона термоэлектрического модуля смонтирована на металлическом радиаторе, который для лучшего отвода тепла обдувается вентилятором.

Принцип определения температуры начальной стадии замерзания, t_з, °С (криоскопическая температура t_кр, °С), основан на изучении термограмм замораживания исследуемого образца продукта, т.е. t_i = f (τ_i), [20, 25, 26]. При этом возможны два случая замораживания: а – без переохлаждения; б – с переохлаждением (рис. 12).

В первом случае (кривая а) при замораживании продукта падение температуры исследуемого образца значительно замедляется, вследствие выделения скрытой теплоты кристаллообразования при фазовом переходе влаги из жидкого агрегатного состояния в твёрдую фазу.

Во втором случае (кривая б) при охлаждении пробы продукта её температура сначала снижается ниже точки замерзания, без процесса кристаллообразования, до температуры переохлаждения воды в продукте (t_п). Затем происходит адиабатическое повышение температуры продукта, вследствие кристаллообразования воды до значения начальной стадии замерзания (t_з). Далее температура продукта стабильно снижается, т.е. осуществляется последующее замораживание продукта.

По полученному значению температуры начальной стадии замерзания пищевого продукта, t_з (криоскопическая температура t_кр) определяется значение активности воды продукта расчётным методом по формуле [13]:

, (29)

где t_з – температура начальной стадии замерзания пищевого продукта

(криоскопическая температура), °С.

Хроматографический метод определения активности воды входит в отдельную подгруппу методов исследования. Он основан на определении парциального давления водяного пара над поверхностью исследуемого пищевого продукта и дистиллированной водой при одинаковой температуре с помощью газовой хроматографии. Расчёт парциального давления водяного пара осуществляется по уравнениям Клапейрона – Менделеева:

(30)

(31)

где M_i и M₀ – масса паров воды при температуре T в объёмах V_i и V₀

соответственно над i-м образцом продукта и

дистиллированной водой;

μ – молярная масса паров воды при температуре T, изменяется в

зависимости от температуры из-за смещения равновесия

ассоциирования молекул воды в агрегаты.

Предварительно образцы исследуемых пищевых продуктов и дистиллированной воды (контрольный образец) помещаются в герметически закрывающиеся маркированные тонкостенные полиэтиленовые сосуды и выдерживаются в термостате при строго фиксированной температуре (диапазон составляет 0–60 °C) в течение 1–3 ч.

Отобранные с помощью шприцов образцы паров объёмом по 0,5–1,0 см³ подвергают газовому хроматографическому анализу, продолжительность которого составляет 90 с. Применяется газовый хроматограф с детектором теплопроводности, например марки «ЛХМ – 8 МД».

Активность воды рассчитывают по формуле

(32)

где V_i и V₀ – объём водяного пара при температуре T соответственно над

поверхностью i-го образца пищевого продукта и

дистиллированной водой;

H_i и H₀ – высота пиков на газовой хроматограмме, соответствующая V_i

и V₀.

Метод газовой хроматографии с использованием серийно выпускаемого прибора отличается достаточной точностью и надёжностью, и позволяет проводить экспресс-исследование активности воды в пищевых продуктах при большом количестве образцов.

Известен расчётный метод по химическому составу для определения активности воды пищевых продуктов. Используется формула, справедливая для мясных продуктов [20]:

a_w = 0,9845 – (0,0076[NaCl]/U), (33)

где [NaCl] – массовая доля хлорида натрия в образце продукта, %;

U – содержание влаги, г воды на 1 г сухого вещества.

Этот метод применяется, в основном, с целью проверки полученных результатов экспериментального определения a_w (контроль).

Разработан расчётный метод по температуре замерзания для определения активности воды замороженных и сублимированных мясных продуктов, находящихся в замороженном состоянии [9]. Активность воды (идеального продукта) определяется по незамёрзшей части влаги с помощью формулы

a⁰_w = 1 – 8,9510^-3 t_з, (34)

где t_з – температура замерзания ,°C; при этом t_з ≤ t_кр (криоскопическая).

Активность воды реального продукта определяется по формуле

a_w = a⁰_w  j_w, (35)

где j_w – поправочный коэффициент (коэффициент активности воды).

В табл. 7 представлена зависимость j_w от температуры замерзания T_з (K) для говядины. По данным табл. 7 видно, что активность воды идеального замороженного продукта при температуре замерзания t_з не ниже минус 30 °C вполне сопоставима реальному продукту – замороженной говядине (ошибка до 3,75 %).

Таблица 7

Температура, K	Расчётная активность воды идеального продукта	Активность воды говядины, определённая экспериментально	Ошибка, %	Коэффициент активности воды jw
253 243 233 223 213 203 193	0,8210 0,7315 0,6420 0,5525 0,4630 0,3735 0,2840	0,830 0,760 0,700 0,640 0,580 0,520 0,490	1,08 3,75 8,29 13,67 20,17 28,17 42,04	1,011 1,039 1,090 1,158 1,253 1,392 1,725

При более низких температурах ошибка возрастает, достигая 42,04 % при температуре t_з минус 80 °C.

Таким образом, для расчёта a_w в замороженных и сублимированных продуктах (при отрицательных температурах) можно использовать формулу 34 без всяких изменений с достаточной для практики точностью при температуре замерзания t_з выше (равно) минус 30 °C. В диапазоне t_з Є [-80…-30 °C) следует вводить поправочный коэффициент j_w.