Aktywność wodna w żywności funkcjonalnej

Pomidory bogate w likopen. Desery wzbogacone CBD. Superfoods, takie jak jagody czy nasiona granatu. Mleko wzbogacone witaminą D. Żywność funkcjonalna występuje w wielu postaciach, ale przyświeca jej ten sam cel: zapobieganie chorobom i poprawa zdrowia poprzez codzienną dietę.

Zachowaj korzyści

Wszystkie produkty spożywcze zawierają makro- i mikroelementy, które wspierają zdrowie. Żywność funkcjonalna zawiera coś więcej: związki o określonym działaniu prozdrowotnym lub zwalczającym choroby. Niezależnie od tego, czy dany związek występuje naturalnie, czy został dodany do produktu, żywność funkcjonalna promowana ze względu na swoje zalety stawia przed producentami unikalne wyzwanie: ustalenie okresu trwałości, który gwarantuje nie tylko bezpieczeństwo, ale i skuteczność składnika funkcjonalnego.

Chroń składnik funkcjonalny

Składniki funkcjonalne są zazwyczaj bardzo podatne na degradację. Światło, temperatura, wilgotność i poziom pH wpływają na tempo tego procesu. Gdy składnik funkcjonalny jest reklamowany jako część produktu o przedłużonej trwałości, producenci muszą zrozumieć wpływ pH i aktywności wodnej na jego siłę działania w czasie. Aktywność wodna produktu jest jednym z najważniejszych kryteriów, które należy wziąć pod uwagę podczas formulacji i produkcji, aby zagwarantować dostarczenie obiecanych korzyści zdrowotnych.

Wpływ wilgoci

Gdy składniki funkcjonalne są dodawane do napojów, degradacja może przebiegać bardzo szybko. Na przykład Rysunek 1

przedstawia zmianę stężenia soku pomarańczowego wzbogaconego witaminą C. W ciągu czterech tygodni stężenie spada nawet o 50% (Nutraceutical Business Review, 2018). Wiele witamin i probiotyków ulega podobnemu procesowi pod wpływem środowiska o wysokiej wilgotności (Turkmen, Priyashantha i Jayarathna, 2019).

Proces degradacji można spowolnić, obniżając aktywność wodną (aw) żywności funkcjonalnej. Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego celu jest wyprodukowanie żywności funkcjonalnej o wartości monowarstwy – czyli wartości, przy której produkt spożywczy wykazuje największą stabilność pod względem wilgotności. Czym jednak dokładnie jest wartość monowarstwy i czy powinni do niej dążyć wszyscy producenci?

Stabilność w punkcie monowarstwy

Monowarstwa to pojęcie teoretyczne, zaproponowane w 1938 roku przez trio fizyków (Stephena Brunauera, Paula Emmetta i Edwarda Tellera). Teoria ta w odniesieniu do porowatego ośrodka żywnościowego zakłada, że w trakcie nawadniania całkowicie suchego materiału następuje moment, w którym cząsteczki wody pokrywają powierzchnię każdej cząstki produktu warstwą o grubości jednej cząsteczki. Teoretycznie jest to stan najwyższej stabilności produktu, w którym każda cząstka jest ledwo pokryta cząsteczkami wody. W przypadku produktów bogatych w białko, zanim osiągnięta zostanie monowarstwa, może zostać wchłonięta duża ilość wody, ponieważ białko posiada liczne fałdy i dużą powierzchnię właściwą. Cukier krystaliczny natomiast to prosta kostka o niemal zerowej powierzchni właściwej.

Produkty mogą pochłaniać różne ilości wody, jednak w przypadku większości z nich pierwsza warstwa – monowarstwa – formuje się przy stosunkowo stałej aktywności wodnej wynoszącej około 0,3 aw. Do produktów typowo mieszczących się w tym zakresie aktywności wodnej należą płatki śniadaniowe, mąka czy makaron. Nic dziwnego, że te wysoce trwałe produkty stanowią główny środek fortyfikacji w amerykańskich programach od lat 40. XX wieku (Institute of Medicine (US) Committee, 2003).

Zapewnienie świeższej tekstury

Dlaczego więc cała żywność funkcjonalna nie jest produkowana w punkcie monowarstwy? Mówiąc najprościej, współcześni konsumenci oczekują innego rodzaju żywności funkcjonalnej: produktów bardziej miękkich, o świeższym smaku i bardziej naturalnych, a jednocześnie gotowych do spożycia. Producenci wytwarzają trwałe produkty funkcjonalne przy znacznie wyższych poziomach aktywności wodnej. Ich wysuszenie do wartości monowarstwy uczyniłoby je suchymi i mało atrakcyjnymi. Przy tak wyższych wartościach aktywności wodnej formulacja staje się złożoną grą kompromisów, mającą na celu maksymalizację okresu trwałości składnika funkcjonalnego przy jednoczesnym zachowaniu miękkości i świeżości produktu.

Monitorowanie wskaźników degradacji

Aktywność wodna odgrywa kluczową rolę w tym procesie. Twórcom receptur niezwykle pomoże powiązanie wskaźników degradacji składnika funkcjonalnego z aktywnością wodną. Choć tempo degradacji jest skorelowane z aktywnością wodną, różne składniki wykazują odmienne zależności. Wiele witamin będzie na przykład degradować szybciej wraz ze wzrostem aktywności wodnej (zob. np. Lavelli, Zanoni i Zaniboni, 2007; Sablani, Al-Belushi, Al-Marhubi i Al-Belushi, 2007). Inne składniki, takie jak probiotyki, charakteryzują się określonymi zakresami, w których osiągają maksymalną stabilność. Optymalizacja aktywności wodnej może wydłużyć okres trwałości z dni do miesięcy.

Optymalizacja okresu trwałości

Im bardziej naturalna żywność funkcjonalna, tym większą rolę może odgrywać aktywność wodna. W suszonych owocach na przykład aktywność wodna produktu funkcjonalnego wpływa nie tylko na trwałość samego składnika, ale także na podatność na rozwój pleśni oraz cechy jakościowe, takie jak tekstura. Kiedy żywność funkcjonalna jest połączeniem dwóch lub więcej naturalnych składników, w grę wchodzi również migracja wilgoci.

Niezależnie od konkretnego produktu, korzystny wpływ każdej trwałej żywności funkcjonalnej może być utrzymany na najwyższym poziomie tylko dzięki zrozumieniu i zastosowaniu podstawowych zasad aktywności wodnej.

Bibliografia

Nutraceutical Business Review. „Degradation of Vitamins, Probiotics and Other Active Ingredients Caused by Exposure to Heat, Water and Sunlight.” 7 sierpnia 2018 r.

Turkmen, Nazli, Hasitha Priyashantha i Shishanthi Jayarathna. „Challenges in Probiotic Dairy-Based Beverages.” New Food Magazine, 26 października 2019 r. https://www.newfoodmagazine.com/article/97303/challenges-in-probiotic-d….

Institute of Medicine (US) Committee on Use of Dietary Reference Intakes in Nutrition Labeling. „Dietary Reference Intakes: Guiding Principles for Nutrition Labeling and Fortification. Waszyngton (DC): National Academies Press (US); 2003.

Shyam S. Sablani, K. Al-Belushi, I. Al-Marhubi & R. Al-Belushi (2007) Evaluating Stability of Vitamin C in Fortified Formula Using Water Activity and Glass Transition, International Journal of Food Properties, 10:1, 61-71, DOI: 10.1080/10942910600717284

Lavelli, Vera, Bruno Zanoni i Anna Zaniboni. „Effect of water activity on carotenoid degradation in dehydrated carrots.” Food Chemistry, tom 104, numer 4: 2007, s. 1705-1711.

‍