Длительное время считалось, что содержание влаги в продукте определяет безопасность и стабильность продукта. С помощью метода титрования по Карлу Фишеру определяется содержание влаги во многих фармацевтических продуктах. Но знание о содержании влаги в продукте по Карлу Фишеру не дает нам понимания о влиянии воды на стабильность и безопасность продукта.
В свою очередь измерение активности воды (aw) дает нам информацию об энергетическом состоянии воды в продукте (ее «доступности» для развития бактерий и микроорганизмов).
Большое количество научных исследований показало, что активность воды является более достоверным показателем при определении стабильности и безопасности продукта, чем общее содержание влаги в продукте.
Ранее долгое время активность воды использовалась при определении безопасности пищевых продуктов, но с выходом публикации USP Method ее также начали рассматривать как важную составляющую при определении безопасности и стабильности в фармацевтической промышленности.
Как известно воду в системе (в продукте) можно разделить на три составляющих: «свободную», поглощенную, и связанную воду. Свободная вода имеет такую же энергию и свойства, как и чистая вода. Абсорбированная вода связана с продуктом слабее, и имеет отличные от чистой воды свойства и более низкую энергию. «Связанная» вода имеет более низкие энергетические свойства благодаря наличию ионных связей. На самом деле молекулы воды свободно перемещаются между этими тремя формами и очень трудно определить количественное состояние каждого из трех форм. Более того, общий энергетический статус воды определяется как сумма энергий каждой формы. Понижение энергетического статуса системы (или активность воды), приводит к уменьшению «доступной» воды для прохождения химических и биологических реакций. Определение содержания влаги в продукте не дает нам информацию о ее распределении по формам.
Титрование по Карлу Фишеру может дать нам даже количественное значение «связанной» воды, и считается более качественным методом, чем сушка продукта. Тем не менее, давая нам количественное значение «связанной» воды, метод титрования по Карлу Фишеру не дает нам информацию об энергетическом состоянии воды. В то же самое время активность воды дает нам знать энергетический статус воды или ее «доступность» и не зависит от общего содержания влаги (зависит от распределения влаги по формам). Следовательно, активность воды дает более точное соответствие биологической и химической реакциям, чем метод Карла Фишера.
Обратите внимание: оборудование для измерения активности воды Активность воды описывает термодинамическое состояние воды в системе. Она не показывает, в каком количестве вода представлена в системе, но указывает как ее «энергетическое поведение» отличается от поведения чистой воды. Активность воды варьируется от 0 (абсолютно сухое вещество) до 1.0 (чистая вода). При снижении активность воды в системе, снижается энергетическая доступность воды, и она становится менее доступной в роли растворителя, необходимого для химических реакций, роста микроорганизмов, а также для перемещения воды в системе. Например, продукт, активность воды которого около 0,8 aw, может поддерживать рост плесени, в то время как в продукте с активность воды 0,6 aw не происходит роста никаких микроорганизмов. Вода становится более мобильной при увеличении активности воды, что влияет на молекулярную стабильность продукта, а также на химические и энзимные скорости реакции.
Если говорить более научным языком, то активность воды можно охарактеризовать как соотношение давления пара над продуктом (p) к давлению пара над чистой водой (po) при одной и той же температуре.
Активность воды является наилучшим показателем для определения возможного роста микроорганизмов. Продукт может иметь относительно большое процентное содержание воды, но при этом, если эта вода химически «связана» с помощью влагоудерживающих веществ или растворов, как соль, сахар, полиолы (высокомолекулярные спирты), в этом случае она недоступна для роста микроорганизмов.
Активность воды уже долгое время используется в пищевой и фармацевтической промышленности как критерий, служащий показателем стабильности, безопасности продукта. Каждый микроорганизм имеет определенное значение активности воды (aw), ниже которого они не могут размножаться. В то же самое время, нет никакой прямой зависимости между содержанием влаги в продукте и ростом микроорганизмов!
Также существует зависимость между активностью воды и стабильностью продукта. Различие в активностях воды компонентов, составляющих конечный продукт, или между продуктом и окружающей его среды, приводит к перемещению (миграции) влаги в продукте. Знание о том, будет ли продукт поглощать или отдавать влагу важно для предотвращения ухудшения свойств продукта, в особенности, если один из компонентов чувствителен к воздействию влаги. Например, если компонент 1 с влажностью 2% нужно смешать с равным количеством компонента 2 с влажностью 10%, будет ли при этом происходить взаимодействие влаги компонентов 1 и 2? Влажность конечного продукта будет равна 6%, но ответ о перемещении влаги будет зависит от значения активности воды. Т.е., если активность воды компонентов 1 и 2 одинакова, то между ними не будет никакого перемещения влаги.
Если два компонента с разными активностями воды, но одинаковым содержанием влаги в них, приводятся в соприкосновение, то вода будет мигрировать между ними, пока не наступит равновесие в активностях воды. Т.о., для предотвращения перемещения влаги в мультикомпонентном продукте, необходимо, чтобы активность воды компонентов его составляющих была примерно близка. Влага будет перемещаться от компонента с более высокой активностью воды к компоненту, имеющему более низкую активность воды. Такое перемещение влаги может привести к не желаемым изменениям в качествах всех компонентов. Поэтому контроль активности воды является важным при разработке новых рецептур, определения условий производства, а также условий упаковки и хранения продукта.
Анализ по методу Карла Фишера дает хорошие результаты лишь только в четко контролируемых условиях. Также этот тип анализа требует применения вредных химикатов и требует специального обучения для проведения тестов. Следовательно, необходимо найти более простою замену данному опыту. Активность воды является отличной заменой методу Карла Фишера, т.к. дает более важную информацию о состоянии воды в системе. Данные активности воды никак не будут совпадать с результатами, получаемыми методом Карла Фишера, но будут давать лучшее соответствие в вопросах роста микроорганизмов, химической стабильности и физических свойствах продукта. Особенно это становится заметным для продуктов, которые испытывают большие изменения в стабильности при небольших изменениях в содержании влаги в продукте.
Существует зависимость между содержанием влаги в продукте (можно определить по методу Карла Фишера) и активностью воды, но она является сложной и уникальной для каждого отдельного продукта. Обычно при увеличении значения параметра активности воды идет увеличение содержания влаги в продукте, но это зависимость не линейна. Зависимость активность воды от содержания влаги в продукте при определенной температуре называется изотермой сорбции продукта. Для большинства продуктов изотерма сорбции имеет сигмоидальную форму, хотя для некоторых продуктов с большим содержанием кристаллических может иметь типа J. Наиболее часто встречаемым уравнением, применяемым для описания изотермы сорбции являются уравнения Guggenheim-Anderson-de Boer (GAB) и Brunauer-Emmett-Teller (BET). Данные уравнения служат для определения коэффициентов для лучшего описания поведения изотермы сорбции. Аналитические программы служат для определения данных коэффициентов, которые будут использованы для предсказания поведения зависимости активности воды от содержания влаги в продукте и наоборот.
Несмотря на то, что активность воды является отличной альтернативой при определении стабильности и безопасности продукта, по сравнению с определением содержания влаги в нем по методу Карла Фишера, все же иногда необходимо знать именно содержание влаги в продукте. В этом случае метод Карла Фишера все равно может быть замещен определением активности воды, через которую посредством изотермы сорбции будет определено содержание влаги в продукте.
