Aktywność wody a pH: Współdziałanie na rzecz bezpieczeństwa produktu

Podsumowanie webinaru i główne wnioski

Która jednak zmienna zapewni lepszą kontrolę? Czy jest to aktywność wodna? Czy pH? A może połączenie obu tych czynników? Przyjrzymy się, czym są aktywność wodna i pH, jak wpływają na stabilność mikrobiologiczną niezależnie od siebie oraz w jaki sposób synergicznie pomagają w kontrolowaniu skażenia mikrobiologicznego.

Pierwsza bariera: czym jest aktywność wodna?

Aktywność wodna to miara stanu energetycznego wody w układzie. Z pierwszego zasady termodynamiki możemy wyprowadzić równanie energii swobodnej Gibbsa, które dostarcza informacji o energii lub potencjale chemicznym dowolnego rodzaju indu chemicznego – w tym przypadku wody. Aktywność wodna w próbce jest wprost proporcjonalna do potencjału energetycznego, co z kolei przekłada się bezpośrednio na tendencję ucieczki (fugację) wody do fazy oparów.

Z praktycznego punktu widzenia, aby wyznaczyć aktywność wodną produktu, umieszcza się próbkę w szczelnym pojemniku, pozwalając wodze odparować z tej próbki do przestrzeni nad nią. Para wodna wytwarza w pojemniku ciśnienie, które można zmierzyć i obliczyć jako (P) – ciśnienie cząstkowe próbki. Następnie wartość tę dzielimy przez prężność par czystej wody w tej samej temperaturze, co daje ostateczną wartość aktywności wodnej w próbce w skali od 0 (brak wody) do 1 (czysta woda).

Choć są ze sobą powiązane, aktywność wodna to inny pomiar niż zawartość wilgoci. Zawartość wilgoci to miara ilościowa określająca ilość wody obecnej w próbce, podczas gdy aktywność wodna jest miarą jakościową stanu energeticznego wody w układzie. Choć wiedza o tym, ile wody znajduje się w produkcie, jest przydatna, mikroorganizmi mogą wykorzystywać wyłącznie tę wodę, do której mają dostęp.

Dlaczego aktywność wodna ma znaczenie

Każdy mikroorganizm charakteryzuje się bardzo określoną aktywnością wodną, przy której przestaje się rozmnażać. Stan ten jest wywołany stresem osmotycznym, który hamuje swobodny przepływ wody przez półprzepuszczalną błonę komórkową organizmu. Obniżając aktywność wodną układu poniżej tego progu, można wprowadzić drobnoustrój w stan uśpienia i zatrzymać jego wzrost, uzyskując w ten sposób stabilne i bezpieczne środowisko, jak pokazano w poniższej tabeli:

Aktywność wodna nie jest jednak metodą eliminacji (kill step). Zapobiega jedynie wzrostowi. Połączenie obniżonej aktywności wodnej z dobrymi praktykami produkcyjnymi oraz procesem eliminacji drobnoustrojów to jedyny sposób na całkowite usunięcie mikroorganizmów z produktu i zapobieżenie ich powrotowi oraz rozmnażaniu.

Pomiar i monitorowanie aktywności wodnej w produktach to doskonałe narzędzie zapewniania bezpieczeństwa żywności oraz weryfikacji punktów kontrolnych w ramach planu HACCP. Stabilna aktywność wodna gwarantuje powtarzalność procesu produkcyjnego i stanowi dobry wskaźnik zakończenia obróbki.

Druga bariera: pH

W chemii pH to skala, za pomocą której mierzymy względną kwasowość (lub zasadowość) produktu. Obejmuje ona zakres od 1 do 14, przy czym wartość 7 oznacza punkt neutralny wody destylowanej. Wartości poniżej 7 są bardziej kwaśne (kwas cytrynowy, kwas octowy itp.), natomiast wartości powyżej 7 są bardziej zasadowe lub alkaliczne (soda oczyszczona, wybielacz itp.).

Przybliżony, wzrokowy pomiar pH można wykonać za pomocą papierka wskaźnikowego. Papierek zmienia kolor, a korzystając z odpowiedniej tabeli, można uzyskać ogólne wyobrażenie o pH produktu. Znacznie dokładniejszy pomiar można uzyskać metodami fotometrycznymi za pomocą spektrofotometru lub poprzez pomiar elektrochemiczny z użyciem elektrody pH.

Podobnie jak w przypadku aktywności wodnej, możemy określić minimalne poziomy wzrostu dla różnych organizmów, przyjmując pH jako miarę.

Niedawno fragmenty kodeksu żywnościowego (Food Code) zostały zaktualizowane – dotychczasowe minimalne pH wynoszące 4,6 zostało zmienione tak, aby uwzględnić szczególnie problematyczne szczepy, które potrafią się rozmnażać nawet przy pH spadającym do 4,2.

Technologia barier (Hurdle Technology): połączenie aktywności wodnej i pH

Choć sama aktywność wodna lub samo pH mogą hamować rozwój bakterii, łącząc ich działanie, możemy uzyskać skuteczniejszą kontrolę nad mikroorganizmami dzięki tzw. technologii barier (hurdle technology). Różne czynniki, takie jak temperatura, aktywność wodna, kwasowość, substancje konserwujące itp., wpływają na wzrost drobnoustrojów, a ich skumulowanie pozwala stworzyć zestaw barier uniemożliwiających ten wzrost.

W niektórych przypadkach efekt całego rozwiązania przewyższa sumę poszczególnych składowych dzięki synergii działających czynników, co pozwala na skuteczną kontrolę na poziomach, które w przypadku samego pH lub samej aktywność wodnej byłyby uznawane za niebezpieczne. Tabela poniżej przedstawia tę interakcję pomiędzy poziomami aktywności wodnej a wartościami pH.

Można zauważyć, że pojęcia aktywności wodnej i pH są niższe, gdy występują razem, niż gdyby miały zapewnić takie same rezultaty w pojedynkę. Ocena produktu (oznaczona jako PA) jest wymagana tylko przy najwyższych poziomach każdego z tych czynników.

Jak zmieniać poziom aktywności wodnej i pH

Jak zatem kontrolować aktywność wody w produkcie? Najpopularniejszą metodą jest suszenie lub odwadnianie produktu w celu obniżenia aktywności wody. Wraz z usuwaniem wody aktywność ta spada. Odwadnianie może jednak nie być możliwe w przypadku każdego produktu – i w takich sytuacjach stosuje się substancje utrzymujące wilgoć.

Substancje utrzymujące wilgoć to materiały, które obniżają aktywność wody poprzez wiązanie wody użytecznej w żywności bez konieczności usuwania jej kolejnych ilości. Najczęściej wykorzystuje się w tym celu niektóre cukry, takie jak syrop glukozowo-fruktozowy o wysokiej zawartości fruktozy, lub sól. Istnieją również inne substancje, takie jak sorbitol, maltodekstryna, gliceryna, a nawet niektóre skrobie, choć czynnikiem ograniczającym staje się w tym przypadku rozpuszczalność tych składników.

W firmie METER Group można zakupić narzędzia, które pomagają obliczyć, jak dużej ilości danej substancji utrzymującej wilgoć potrzeba, aby osiągnąć określony poziom aktywności wody. Stanowi to doskonały punkt wyjścia do rozpoczęcia pomiarów i testowania dodatków oraz ich wpływu.

A jak kontrolować poziom pH? Powszechną metodą jest tutaj dodawanie różnych kwasów (octowego, cytrynowego, mlekowego itp.). Czasami odbywa się to poprzez dodatek samych składników o naturalnym charakterze kwasowym. Weźmy na przykład sos do spaghetti. Pomidory obniżają pH sosu, czyniąc go na tyle kwaśnym, aby był stabilny.

Innym sposobem kontroli pH jest proces fermentacji. Rozwijają się wówczas pożądane bakterie, które w wyniku swojego wzrostu produkują kwas mlekowy, obniżający pH żywności i zapobiegający rozwojowi innych rodzajów mikroorganizmów. Przykładami fermentacji są ogórki kiszone, kapusta kiszona, oliwki itp.

Choć oba te czynniki działają dobrze osobno, są jeszcze skuteczniejsze, gdy stosuje się je razem. Wdrożenie planu HACCP uwzględniającego poziom aktywności wody oraz pH jako punkty krytyczne kontroli pozwala na przeprowadzanie rutynowych badań, które gwarantują powtarzalność procesu produkcyjnego, a ostatecznie – bezpieczeństwo produktu.

‍