Decagon Devices Inc.

Активность воды: ключ к качеству и безопасности кормов для животных

Микробиологическая загрязненность является основной причиной по отзыву товара с рынка, поэтому безопасность и качество кормов для животных являются важными вопросами. Активность воды продуктов уже несколько десятилетий выступает как эффективный способ получения ответа на вопрос: защищен ли продукт от микробиологического загрязнения, данный параметр часто и эффективно используется в промышленности производства кормов для животных, и должен являться частью его внутреннего контроля.

Одним из первых кормов для животных, произведенных при контроле активности воды, была марка “Gaines-burgers” от компании General Foods. Gaines-burgers был кормом для собак, имеющим промежуточную влажность. В свою очередь компания Quaker Oats в середине 1960-х представила корм для животных в виде мясных шариков промежуточной влажности длительного хранения. Активность воды помогает создать мягкий, эластичный корм в виде шариков, напоминающих мясо. Такого рода корма для животных показывают более длительный срок хранения, следовательно, более экономически выгодны.

Корма для животных должны быть питательными, безопасными и иметь длительный срок хранения. Также как и продукты для людей, компоненты в кормах для животных, восприимчивы к микробиологическому, химическому, физическому загрязнению, и др. Активность воды (aw) является одним из важнейших параметров в предохранении продуктов от загрязнения, безопасности и качеству продуктов, а также от данного параметра зависит текстура продукта, его стабильность, вкусовые качества, и др.

Определение влажности продукта

Традиционно, при контроле воды в составе кормов для животных, рассматривали влажность продукта или полное содержание влаги в нем. Влажность продукта обеспечивает заказчика информацией о качестве продукта, но данный анализ является неполным. Активность воды является другой важной составляющей при анализе воды в продукте, дающей информацию об энергетическом состоянии воды в нем (или о «доступной» воде). В то время как оба данных анализа воды важны, активность воды дает более подробную информацию о качестве и безопасности продукта. Она характеризует энергетический статус воды в продукте. Согласно термодинамике, активность воды можно определить как отношение давления пара над продуктом
к давлению пара над чистой водой при определенной температуре. Хотя это и не является научно корректным, активность воды можно охарактеризовать как количество «связанной» (или «доступной») воды в кормах для животных. Активность воды не показывает, какое количество воды находится в продукте, но насколько вода в корме для животных ведет себя как чистая вода. Значение активности воды находится в диапазоне от 0 (абсолютно сухой продукт) до 1,0 (чистая вода).

Рост микроорганизмов

Уже несколько десятилетий параметр активности воды служит в качестве наиболее важного критерия при определении качества и безопасности продуктов. Каждый микроорганизм имеет определенное значение активности воды, при значении ниже которого он не может развиваться (Beuchat, 1983;Scott, 1957). Активность воды – это не содержание влаги в продукте – характеризует «доступность» воды для развития бактерий. В таблице 1 показаны микроорганизмы и соответствующая им активность воды, при значении ниже которой они не развиваются. Данные значения активности воды были определены в идеальных условиях для роста микроорганизмов, в т.ч. и по другим важным параметрам как температура и pH. Другими словами, данное значение показывает значение активности воды при самых худших условиях для продукта (и лучших для развития микроорганизмов). Уровень активности воды для большинства патогенных бактерий составляет 0,90; лимит активности воды для плесени составляет 0,70; лимит активности воды для развития любых микроорганизмов в США установлен на уровне 0,60, в России – 0,50.

Таблица1. Лимит активности воды для возможности развития микроорганизмов.

Микроорганизм Минимум aw Микроорганизм Минимум aw
Clostridium botulinum E 0.97 Penicillum expansum 0.83
Pseudomonas fluorescens 0.97 Penicillum islandicum 0.83
Escherichia coli 0.95 Debarymoces hansenii 0.83
Clostridium perfringens 0.95 Aspergillus fumigatus 0.82
Salmonella spp. 0.95 Penicillum cyclopium 0.81
Clostridium botulinum A, B 0.94 Saccharomyces bailii 0.80
Vibrio parahaemoliticus 0.94 Penicillum martensiiPenicillum chrysogenum 0.79
Bacillus cereus 0.93 Aspergillus niger 0.77
Rhizopus nigricans 0.93 Aspergillus ochraceous 0.77

Т.к. бактерии, плесень и дрожжи для своего развития требуют определенное значение «доступной» воды, то высушивание корма для животных до активности воды ниже критического значения, позволяет достичь эффективного контроля микробиологического роста в продукте. Воды может быть содержаться в продукте в количестве даже больше, чем обычно принято в кормах для животных, но если активность воды данного корма достаточно низкая, то микроорганизмы не могут использовать данную воду для своего развития. В этом случае образуется осмотический дисбаланс между микроорганизмами и окружающих их средой, что приводит к остановке их развития или смерти.

Таблица 2 показывает исследование активности воды и содержание влаги в продукте в различных образцах кормов для животных. Активность воды данных образцов была определена на приборах AquaLab (Decagon Devices, Inc), производящих измерения с помощью датчика точки росы. Результаты показывают диапазон комбинаций активность воды / влажность продукта в зависимости от рецептуры данного корма. Сравнение значений в Таблице 1 и Таблице 2 дает нам информацию о восприимчивости продукта к микробиологическому загрязнению в зависимости от его активности воды. Сравнение этих двух таблиц также показывает: Почему значение влажности продукта не является хорошим параметром для определения микробиологической загрязненности продукта. Например, корм с промежуточной влажностью 1 будет поддерживать рост плесени, в то время как корм с промежуточной влажностью 4 не будет, не смотря на что их влажность примерно одинакова. В корме с промежуточной влажностью 4 имеются дополнительные консерванты, предотвращающие рост плесени.

В то время как оба корма с промежуточной влажностью 1 и 2 склонны к росту плесени, ни один из не поддерживает рост патогенных бактерий. Поэтому ни один из этих продуктов не считается потенциально опасным согласно Food Code 2005 (амер. система). Это достигается с помощью дополнительных компонентов в рецептуре, называемых влагоудерживающих веществ. Наиболее известными компонентами являются соль, сахар, глицерин, и т.д. В то же время, более высокий уровень влажности может положительно влиять как на свойства текстуры продукта, так и на весь продукт в целом.

Таблица 2. Активность воды кормов, полученная на приборах AquaLab (Decagon Devices)

Продукт Активность воды Содержание влаги, %
Влажный корм в банке 1 0.994 79.6
Влажный корм в банке 2 0.830 24.0
Корм с промежуточной влажностью 1 0.823 13.70
Корм с промежуточной влажностью 2 0.791 14.40
Корм с промежуточной влажностью 3 0.679 8.43
Корм с промежуточной влажностью 4 0.669 13.0
Корм с промежуточной влажностью 5 0.525 9.21
Сухой корм 1 0.493 8.59
Сухой корм 2 0.459 7.79
Сухой корм 3 0.236 4.40

Качество продукта

Активность воды также является индикатором физических свойств в кормах, а также их стабильности. Контролирую активность воды корма, Вы поддерживаете желательную структуру, текстуру, стабильность и плотность продукта (Katz и Labuza, 1981). Знание о критической активности воды в сухом корме дает нам следующее: 1. При получении продукта с активностью воды ниже критического, Вы получаете характерный хруст при разломе; 2. При получении продукта с активностью воды выше критического, продукт становится мягким и пластичным. И наоборот, корма с промежуточной влажностью, имеющие мягкую текстуру, должны иметь достаточно высокий уровень активности воды, но при этом на таком уровне, чтобы не происходило микробиологического загрязнения. Таким образом, изучение активности воды в кормах для животных, являющейся функцией влажности продукта и его температуры, является важным в процессе производства корма, его обработки, упаковки и хранении для сохранения необходимых текстурных качеств продукта.

Т.к. активность воды является мерой энергетического состояния воды в системе, то различие в ее значениях приводит к миграции воды в системе, при этом вода будет перемещаться из области с высокой активностью воды aw в область с малой aw, но скорость миграции зависит от многих факторов. Многие корма для животных имеют многокомпонентный состав, или имеют различный текстурный состав (например, сухой корм с жидкой прослойкой внутри). Несмотря на влажность этих областей, если они имеют разное значение активности воды, то вода будет перераспределяться в продукте, пока не будет достигнуто равновесное значение активности воды (Brandt, 1996;Katz and Labuza, 1981). Например, если все области в мультикомпонентном корме имеют влажность 15%, но при этом разное значение активности воды, то будет происходить обмен влагой до тех пор, пока активность воды не стабилизируется. Такое перемещение влаги в продукте может привести к текстурными изменениям продукта, а также к микробиологическому загрязнению.

На рынке кормов для животных присутствует огромное количество кормов с мультикомпонентным составом, использующим контроль активности воды. Это могут быть либо твердые сухие корма, либо мягкие корма промежуточной влажности. Сухие корма имеют хорошие чистящие свойства для зубов животных, но при этом обладают менее приятными вкусовыми качествами. Жидкий корм наоборот: имеет более притягательные вкусовые свойства, но у него хуже очищающая способность зубов.

Измерение активности воды

Активность воды измеряют в то время, когда вода в образце продукта находится в равновесном состоянии с паром, находящимся над ним, в закрытом пространстве. Современные приборы позволяют проводить измерения быстро, имеют высокую точность и воспроизводимость показаний. Существуют два метода измерения активности воды. Первый метод измеряет активность воды с помощью датчика точки росы. Второй измеряет активность воды с помощью емкостного датчика, электрические свойства которого зависят от относительной влажности в камере. Каждый из данных приборов имеет свои преимущества и недостатки. Методы различаются в точности, воспроизводимости, скорости измерения, удобстве в использовании и т.д.

В приборах, использующих датчик точки росы, образец помешается в чашку, которая потом устанавливается в измерительную камеру. В камере находится датчик точки росы, инфракрасный термометр и вентилятор (для скорейшего установления равновесия между влажностью продукта и относительной влажностью воздуха над образцом). Датчик точки росы измеряет температуру выпадения росы, инфракрасный термометр измеряет температуру образца. Через данные показания, относительная влажность воздуха над образцом высчитывается как отношение давление насыщенного пара при точке росы к давлению насыщенного пара образца при температуре образца. Когда активность воды образца и относительная влажность воздуха находятся в равновесии, контроль влажности воздуха над образцом дает нам активность воды этого образца.

Главными преимуществами метода точки росы являются высокая точность и скорость измерения. Точность измерения таких образцов составляет ±0,003aw при скорости измерения менее чем за 5 минут. Т.к. измерения основаны на контроле температуры, то калибровка не требуется, но стандартные калибровочные растворы применяются для контроля правильной работы прибора. Если возникает какая-либо трудность в проведении измерения, то доступ к датчику точки росы очень прост, в этом случае проводят его чистку, требующей всего несколько минут вашего времени. Такая высокая скорость получения результатов, дает возможность практического постоянного контроля активности воды на линии.

Другие приборы используют метод емкостного датчика для измерения относительной влажности. Данные датчики изготавливаются из гигроскопичного полимера и имеют встроенную электрическую цепь. Приборы с таким датчиком имеют точность ±0,015aw (или ниже). Т.к. приборы используют электрический сигнал для пересчета в активность воды, то их необходимо калибровать с помощью калибровочных стандартов с известной активностью воды. К тому же, относительная влажность воздуха равна его активности воды только при одной и той же температуре образца и камеры, т.е. требуется точный контроль температуры для получения точных показаний. Преимуществами приборов измерения активности воды с ёмкостным датчиком является их простой дизайн и невысокая стоимость.

Из всего выше сказанного видно, что активность воды является эффективным способом для поддержания стабильности, качества и безопасности кормов для животных. К тому же, в областях промежуточной влажности (большинство кормов на рынке данной продукции), изменения во влажности в данных областях, которые иногда даже неопределимы из-за ограниченности методов контроля влажности, могут привести к большим изменениям в активности воды, которые, следовательно, влияют на стабильность продукта. Но в то же самое время, эти изменения в стабильности могут быть предсказаны за счет активности воды.

Активность воды дает быстрый, точный и недорогой способ контроля качества и безопасности кормов. Приборы, описанные выше, могут применяться на любом предприятии или в лаборатории, производящих корма для животных. Контроль активности воды позволяет производителям создавать новые питательные, микробиологически стабильные и безопасные корма с большим сроком годности.

Активность воды: ключ к качеству и безопасности кормов для животных