Badanie stabilności proszków: fizyczna, chemiczna i mikrobiologiczna

Większość proszków można jednak zaklasyfikować według struktury cząsteczkowej do jednej z trzech grup: bezpostaciowe (amorficzne), krystaliczne lub będące połączeniem obu tych form. Stosunek formy krystalicznej do amorficznej oraz sposób ich interakcji wpływają na niemal każdą właściwość proszku.

Ponadto wielkość cząstek ma istotny wpływ na właściwości proszków (oraz związane z nimi powszechne problemy). Wszędzie tam, gdzie cząstki proszku stykają się ze sobą, może dojść do tworzenia się tzw. mostków – co stanowi pierwszy krok do zbrylania i tworzenia grudek. Im mniejsza wielkość cząstek, tym większe prawdopodobieństwo powstawania mostków, co prowadzi do przywierania, następnie aglomeracji i dalszych problemów. Proszki krystaliczne mogą być szczególnie problematyczne, ponieważ (do pewnego stopnia) ich uporządkowana struktura pozwala wodzie przylegać wyłącznie do zewnętrznej powierzchni tej struktury.

Badania wskazują, że zmieszanie dwóch proszków krystalicznych o różnej wielkości cząstek może powodować, że mieszanina ulegnie rozpłynięciu (przejściu ze stanu stałego w ciekły) przy niższych poziomach aktywności wody niż jakikolwiek z tych proszków z osobna.

Proszki amorficzne zazwyczaj charakteryzują się szczelinami i nieregularnymi kształtami, co ułatwia wiązanie wody przez ich cząstki.

Zawartość wilgoci, aktywność wody i izoterme sorpcji dla proszków

Istnieją dwa kluczowe parametry związane z wodą: zawartość wilgoci oraz aktywność wody. Zrozumienie obu tych wielkości jest niezbędne, jeśli chce się kontrolować problemy związane ze stabilnością fizyczną, chemiczną lub mikrobiologiczną proszków.

Większość osób w branży spożywczej lub farmaceutycznej zna pojęcie zawartości wilgoci. Dla niektórych aktywność wody może być nowym pojęciem. Zawartość wilgoci mierzy ilość wody. Aktywność wody mierzy energię wody – czyli to, do czego woda jest zdolna? Parametry te mierzy się w całkowicie odmienne sposoby.

Zawartość wilgoci mierzy się w procentach ogólnej masy – zasadniczo określa ona, jaka część próby to woda, w oparciu o wagę.

Mimo że oznaczanie zawartości wilgoci jest popularną metodą, nie jest ona szczególnie precyzyjna. Może to utrudniać dostrzeganie i rozwiązywanie problemów. Sama zawartość wilgoci nie jest w stanie zapewnić pełnego obrazu sytuacji, zwłaszcza w przypadku proszków.

Aby sprawdzić aktywność wody, urządzenie mierzy prężność par. Pomocne może być wyobrażenie sobie aktywności wody jako wilgotności w stanie równowagi, którą uwalnia próbka.

Aktywność wody jest często błędnie definiowana jako „dostępność wody”. Nie jest to do końca poprawne. Aktywność wody to zasada termodynamiczna – jest to energia wody. Wiedza ta jest istotna, ponieważ energia ta może zostać wykorzystana w reakcjach chemicznych, zmianach tekstury oraz innych procesach.

Kiedy relacja między aktywnością wody a zawartością wilgoci zostanie przedstawiona na wykresie, otrzymaną krzywą nazywa się izotermą. Odpowiednio zinterpretowana izoterma może dostarczyć wielu cennych informacji. Pozwala między innymi:

• Ukazać poziomy aktywności wody, przy których rozpoczynają się zmiany strukturalne i teksturalne (izotermy DDI)
• Wskazać punkt, w którym produkt zaczyna pochłaniać więcej wilgoci w szybszym tempie
• Zidentyfikować strukturę cząsteczkową (amorficzną lub krystaliczną)
• Określić, jak długo trwają określone zmiany lub reakcje bądź jak szybko zachodzą (izotermy DVS)

Kluczowe czynniki wpływające na stabilność fizyczną

Aby zrozumieć stabilność fizyczną proszków, należy wziąć pod uwagę trzy główne czynniki: wilgoć, temperaturę oraz czas.

Wilgoć

Wilgoć wywiera ogromny wpływ na stabilność fizyczną. Woda może pełnić funkcję rozpuszczalnika lub reagentu – może nawet buforować reakcje chemiczne. Ogólnie rzecz biorąc, wyższa wilgotność oznacza szybsze reakcje, jednak izoterma pozwala uzyskać szczegółowe informacje dla każdego indywidualnego przypadku.

Temperatura

Wpływ temperatury jest podobny do wpływu wody: zmiany zachodzą szybciej wraz ze wzrostem temperatury (patrz rysunek powyżej). Podniesienie temperatury oznacza dostarczenie energii do układu, co umożliwia intensywniejsze zmiany fizyczne przy niższych poziomach aktywności wody.

Czas

Biorąc pod uwagę odpowiednią ilość czasu, każdy proces dobiegnie końca. Niektóre procesy mogą przebiegać tak wolno, że są niezauważalne – na przykład odkształcanie się szyb w bardzo starych oknach – jednak nadal występują, nawet jeśli czynniki takie jak temperatura i wilgotność są kontrolowane.

Studium przypadku stabilności fizycznej: Zbrylanie i tworzenie grudek w mieszankach przypraw

Wiemy, że poziomy aktywności wody sterują przemieszczaniem się wilgoci między substancjami. Jak dużo jednak jej się przemieszcza, jakie równania i modele można zastosować do przewidywania tego ruchu oraz jak dokładna jest ta prognoza?

Laboratorium Badawczo-Rozwojowe METER Food przeprowadziło następujące badania na sześciu różnych mieszankach przypraw, aby zilustrować odpowiedzi na powyższe pytania.

Przegląd procesu:

1. Wygenerowano izotermę dla każdego poszczególnego składnika
2. Zmieszano składniki w znanych proporcjach masowych (patrz tabela poniżej)
3. Przewidziano ostateczny poziom aktywności wody dla każdej mieszanki za pomocą izoterm, równań matematycznych i współczynników
4. Zmierzono poziom aktywności wody każdej mieszanki przypraw po osiągnięciu stanu równowagi
5. Porównano prognozy z pomiarami

Wnioski:

• Prognoza dla skrobi kukurydzianej i soli cebulowej była niezwykle zbliżona do ostatecznej zmierzonej aktywności wody.
  • Oba składniki charakteryzują się drobnymi cząstkami, co zazwyczaj oznacza większy kontakt między nimi i szybsze osiąganie stanu równowagi.
• Prognozy dla innych mieszanek przypraw również cechowały się wysoką dokładnością.
• Najmniej dokładna prognoza w teście dotyczyła mieszanki szałwii, kminu rzymskiego i oregano. Była ona jednak nadal niezwykle bliska – o 0,05 niższa od ostatecznego zmierzonego poziomu aktywności wody.

Proces opisany w tym studium przypadku może być przydatny dla każdego technologa żywności, w szczególności dla osób znajdujących się pod presją szybkiego opracowywania nowych produktów. Modele, narzędzia i równania mogą dostarczyć informacji na temat ostatecznych cech mieszanek suchych składników jeszcze przed ich zmieszaniem.

Zbudowanie biblioteki izoterm może zająć trochę czasu na początku. Jednak po ich utworzeniu twórcy receptur mogą swobodnie eksperymentować z modyfikacjami składu, przewidywać ostateczny okres trwałości i równowagowe poziomy aktywności wody oraz podejmować decyzje dotyczące opakowań bezpośrednio ze swojego biurka – bez konieczności przeprowadzania badań fizycznych.

Kluczowe czynniki wpływające na stabilność chemiczną

Producenci muszą być świadomi tego, jak aktywność wody może wpływać na szybkość reakcji chemicznych oraz które reakcje doprowadzą do końca przydatności ich produktu do spożycia. Bez gruntownego zrozumienia stabilności chemicznej łatwo obiecać korzyści większe niż te, które produkt faktycznie zapewni.

Śledzenie tempa reakcji chemicznych może być skomplikowane, ale jest wykonalne. Często to do producenta należy decyzja, kiedy osiągnięto granice okresu trwałości. Precyzyjne określenie tego momentu wymaga części tych samych informacji dotyczących prognozowania trwałości, o których mowa w powyższym studium przypadku.

Studium przypadku stabilności chemicznej: Degradacja witaminy C

W jaki sposób producent suplementów diety może określić idealne warunki przechowywania? Jak szybko będzie degradować się dany składnik i kiedy produkt przestanie spełniać deklaracje na etykiecie?

Opisane poniżej badania, przeprowadzane przez laboratorium METER Food R&D Lab, mogą pomóc w udzieleniu odpowiedzi na te pytania. Badanie przeprowadzono na witaminie C (kwasie askorbinowym), jednak jego zasady i techniki mają zastosowanie do każdej substancji, która może ulegać degradacji lub reakcjom w czasie.

Podczas badania kwas askorbinowy poddano działaniu dwóch różnych poziomów aktywności wody oraz trzech różnych temperatur. Degradację monitorowano za pomocą spektroskopii w zakresie UV-Vis i obliczono jej tempo. Celem było ustalenie, jak temperatura i aktywność wody wpływają na szybkość degradacji.

W pierwszym kroku zespół zdecydował, jakie temperatury (30°, 40° i 50°C) oraz poziomy aktywności wody (0,76 aw i 0,948 aw) zostaną objęte badaniem. Następnie określono moment, w którym okres trwałości uznaje się za zakończony – w tym przypadku, gdy zachowało się 75% początkowej ilości witaminy C. Wprowadzono niezbędne informacje do narzędzia Moisture Analysis Toolkit i przeprowadzono przyspieszone badania trwałości, uzyskując następujące wyniki:

Kluczowe czynniki stabilności mikrobiologicznej

Aktywność wody jest doskonałym narzędziem do ograniczania rozwoju drobnoustrojów. Przy poziomie aktywności wody poniżej 0,6 żaden mikroorganizm nie będzie rósł.

Fakt ten daje wielu producentom fałszywe poczucie bezpieczeństwa – uważają oni, że jeśli ich produkt charakteryzuje się niską aktywnością wody, zanieczyszczenia mikrobiologiczne nie stanowią dla niego zagrożenia. Jest to niebezpieczne przekonanie, które doprowadziło do wielu wycofań z rynku i ognisk zatruć m.in. w przypadku masła orzechowego, mąki czy mleka modyfikowanego dla niemowląt.

Aktywność wody może zapobiegać rozwojowi drobnoustrojów, ale nie jest procesem sterylizacji (tzw. kill step). Mikroorganizmy przy niskiej aktywności wody mogą przetrwać w stanie uśpienia. Jeśli zostaną wystawione na środowisko o wyższej aktywności wody – na przykład po zmieszaniu mąki z ciastem na ciasteczka – mogą zacząć się rozmnażać i stać się niebezpieczne.

Produkt o niskiej aktywności wody może być bezpieczny, ale nie musi być sterylny.

Choć istnieje wiele barier i środków ostrożności pozwalających kontrolować drobnoustroje, temat ten pozostaje skomplikowany i trudny. Trwają intensywne badania nad sterylizacją lub pasteryzacją żywności o niskiej zawartości wilgoci. Obecnie rygorystyczne procedury higieniczne stanowią najskuteczniejszy sposób zapobiegania skażeniom i zapewnienia stabilności mikrobiologicznej.

Dodatkowe materiały

Aby zgłębić wiedzę na temat nauki o proszkach, obejrzyj poniższy darmowy webinar na żądanie. Dr Zachary Cartwright i Mary Galloway omawiają w nim przepływ proszków, zbrylanie, strukturę molekularną oraz izotermy.