Dlaczego proszki zachowują się nieprzewidywalnie

Być może nie dostrzegasz jeszcze innych, groźnych problemów, jakie mogą powodować proszki. Te mniej widoczne i mniej znane kwestie mogą mieć ogromne znaczenie – mowa tu o zagrożeniach dla zdrowia i wycofywaniu produktów z rynku. Ignorujesz je na własne ryzyko.

Dołącz do Mary Galloway, szefowej laboratorium badawczo-rozwojowego METER Food, oraz dr. Zachary'ego Cartwrighta, głównego naukowca ds. żywności, którzy zaprezentują nowe wyniki badań i wyjaśnią liczne przyczyny problemów z zachowaniem proszków.

Dowiesz się:

• Jak wiele firm nieumyślnie wprowadza w błąd co do funkcjonalnych korzyści zdrowotnych swoich produktów
• Jakie są zagrożenia mikrobiologiczne związane z żywnością o niskiej zawartości wilgoci oraz jakie groźne nieporozumienia wokół niej krążą
• O wielu czynnikach wpływających na stabilność proszków i tym, które z nich są najważniejsze do monitorowania
• Jak precyzyjnie określić, gdzie pojawią się problemy z proszkami i jak im zapobiegać, zanim jeszcze wystąpią

O prelegentach

Mary Galloway jest kierownikiem Laboratorium Badań i Rozwoju Żywności METER. Specjalizuje się w obsłudze i testowaniu instrumentów do pomiaru aktywności wody oraz jej wpływu na właściwości fizyczne. Współpracowała z dziesiątkami największych i najbardziej dochodowych marek spożywczych na świecie, pomagając im rozwiązywać problemy z produktami związane z wilgocią.

Dr Zachary Cartwright jest głównym technologiem żywności w METER Group. Posiada tytuł doktora nauk o żywności uzyskany na Uniwersytecie Stanowym Waszyngtonu oraz tytuł licencjata w dziedzinie biochemii z Uniwersytetu Stanowego Nowego Meksyku. Jest ekspertem w dziedzinie analizy izoterm i obsługi analizatora sorpcji par (VSA).

Transkrypcja zredagowana pod kątem przejrzystości

Zachary:

Cześć wszystkim. Witajcie w webinarium „Dlaczego proszki zachowują się nieprzewidywalnie”. Nazywam się Zachary Cartwright.

Mary:

A ja jestem Mary Galloway.

Zachary:

Zacznijmy od krótkiego zarysu tego, czego możecie spodziewać się dzisiaj. Opowiemy o tym, czym są proszki, spróbujemy podać ich definicję, a następnie skupimy się głównie na trzech różnych aspektach proszków. Przyjrzymy się stabilności fizycznej, takiej jak zbrylanie, zlepianie i utrata sypkości. Mary podzieli się z nami danymi laboratoryjnymi, a potem przejdziemy do stabilności chemicznej, omawiając jełczenie lub reakcje brązowienia. Wierzę, że Ty również masz dla nas jakieś badania.

Mary:

Owszem. Przeprowadziliśmy w laboratorium badanie nad degradacją witaminy C.

Zachary:

Na koniec spojrzymy na stabilność mikrobiologiczną. Mimo że mamy do czynienia ze środowiskiem o niskiej aktywności wody, nadal istnieją pewne obawy mikrobiologiczne. Wierzę, że właśnie pracowałaś nad artykułem lub byłaś cytowana w artykule, na którym się skupimy.

Proszki w pigułce: Podstawy i definicje

Zachary:

Mary, czym jest proszek? Jak zdefiniowałabyś proszek?

Mary:

Cóż, większość ludzi wie w teorii, czym jest proszek, ponieważ spotykamy je w tak wielu miejscach. Kiedy dyskutowaliśmy o tym wcześniej, istotny okazał się rynek docelowy. Mówiąc o kategorii proszków, możemy mieć na myśli przyprawy czy składniki. Przemysł farmaceutyczny używa tego określenia również w odniesieniu do substancji pomocniczych i czynnych (API), które pełnią wiele różnych funkcji.

W zasadzie proszek to drobny produkt ziarnisty. Dobrą definicję znaleźliśmy w artykule Bandariego z 2017 roku. Mówiąc w uproszczeniu, wskazuje ona strukturę jako główną cechę definiującą proszek – bezpostaciową (amorficzną), krystaliczną lub stanowiącą ich połączenie. Sposób, w jaki te dwie struktury oddziałują na siebie, oraz wielkość cząstek wpływają na funkcjonalność, zastosowanie i produkcję proszku.

To podsumowuje, dlaczego proszki stanowią tak ogromny rynek i dlaczego są tak trudne w obsłudze – ponieważ obejmują tak wiele różnych rynków i grup funkcjonalnych.

Zachary:

Przeprowadziliśmy już wcześniej webinarium na temat proszków, w którym głębiej zagłębiliśmy się w struktury amorficzne i krystaliczne. Z punktu widzenia budowy molekularnej istnieją tu pewne kluczowe różnice. Struktura krystaliczna ma dobrze zdefiniowany, powtarzalny układ. Jest to coś, co można zauważyć na poziomie cząsteczkowym. Nawet wizualnie można dostrzec te różnice w proszkach, na co mamy odpowiednie ilustracje.

Ostatnio rozmawialiśmy o mieszaniu tych proszków i analizowaniu niektórych efektów łączonych. Jeśli jesteście zainteresowani zgłębieniem tego tematu, możecie obejrzeć nasze poprzednie webinarium. Mówiliśmy również o wielkości cząstek i chcę do tego powrócić. Jak wielkość cząstek wpływa na niektóre właściwości proszków?

Mary:

Wielkość cząstek ma ogromny wpływ na właściwości proszków i decyduje o tym, bywają one tak problematyczne. Gdy mamy do czynienia z małą wielkością cząstek, między tymi cząstkami może dochodzić do nieprzewidzianego mostkowania, przez co stają się lepkie, ulegają aglomeracji i tak dalej.

Poza samą ogólną wielkością cząstek istnieje jeszcze kilka innych kwestii. Czynnikiem jest również ich kształt. Badania wykazały również, że po zmieszaniu proszków krystalicznych dochodzi do zjawiska zwanego rozpływaniem się (deliquescence), które polega na przejściu ze stanu stałego w ciekły wcześniej, niż można by się tego spodziewać dla któregokolwiek z osobnych proszków. Wynika to właśnie z obecności cząstek o różnych rozmiarach.

Gdziekolwiek pojawiają się te punkty styku, mogą zacząć się problemy z mostkowaniem. Proszki krystaliczne bywają szczególnie podstępne, ponieważ – jak powiedziałaś – mają bardzo uporządkowaną strukturę, co oznacza, że wilgoć przylega zasadniczo tylko do zewnętrznej części struktury. Jest to interakcja wyłącznie powierzchniowa, w przeciwieństwie do proszków amorficznych, które posiadają mnóstwo szczelin oraz nieregularnych kształtów i rozmiarów, przez co woda może się z nimi wiązać znacznie łatwiej. Czyni je to funkcjonalnie odmiennymi, co ma również duże znaczenie dla technologów opracowujących receptury.

Zachary: Ostatnim razem rozmawialiśmy o pięciu etapach zbrylania. Istnieje wiele kroków prowadzących do aglomeracji, a w końcu do upłynnienia.

Nie musimy ich dzisiaj wszystkich omawiać, ale chcę zwrócić uwagę, że zbrylanie i tworzenie grudek może zacząć się już na wczesnym etapie. Jednym ze sposobów kontrolowania tego zjawiska jest analiza wilgotności i aktywności wody w tych proszkach. Robimy to podczas większości naszych webinarów, ale zawsze warto zdefiniować, czym jest zawartość wilgoci oraz aktywność wody, a także omówić, jak możemy stosować te parametry łącznie, aby ocenić zmiany fizyczne oraz stabilność chemiczną i mikrobiologiczną.

Zacznijmy od przyjrzenia się zawartości wilgoci i aktywności wody. Wiem, że masz na ten temat świetną grafikę i dobrą definicję. Jak odróżniasz te dwa różne pomiary?

Mary:

Dla niektórych osób, z którymi rozmawiamy, aktywność wody jest nowym pojęciem, podczas gdy większość doskonale zna zawartość wilgoci. Lubię je rozdzielać i mówić, że możemy wykonać dwa pomiary związane z wodą. W jednym przypadku sprawdzamy ilość wody, czyli zawartość wilgoci. W drugim – badamy energię wody, czyli to, co woda jest w stanie zrobić. Mierzymy je w zupełnie inny sposób.

Kiedy analizujemy zawartość wilgoci, mamy do czynienia z procentem masowym, więc patrzymy po prostu na wagę. Natomiast kiedy badamy aktywność wody, mierzyliśmy tak naprawdę coś, co nazywamy prężnością oparów – jest to zbliżone do wilgotności unoszącej się nad próbką.

Jeśli chcesz zapoznać się z naszymi badaniami i innymi webinarami, poruszamy tam kwestię aktywności wody. Pomocne może być zrozumienie, że mamy tu na myśli w zasadzie wilgotność w stanie równowagi, jaką wydziela próbka, co może ułatwić zrozumienie tych dwóch pojęć. Warto również zwrócić uwagę na to, jak pewne czynniki zewnętrzne i warunki otoczenia mogą wpływać na produkt – jest to coś, co należy monitorować.

Zachary:

Słuszna uwaga. Wciąż dość często spotykam się z błędną definicją, że aktywność wody to jej dostępność, co nie jest do końca poprawne. Aktywność wody to zasada termodynamiczna. To faktycznie energia tej wody, a wiedz o tym, że energia wody może zostać wykorzystana w reakcji chemicznej, zmianie tekstury lub w inny sposób. Warto to podkreślić. W przypadku aktywności wody analizujemy energię wody.

Zgłaszają się do nas klienci, którzy prowadzą świetną dokumentację dotyczącą zawartości wilgoci, ale mają ogromny problem z uzyskaniem precyzyjnego pomiaru. Ponieważ zawartość wilgoci nie jest mierzona precyzyjnie, trudno powiązać z nią napotkane problemy. Sama zawartość wilgoci nie dostarczy wszystkich potrzebnych informacji, zwłaszcza w przypadku proszków.

Łącząc aktywność wody i zawartość wilgoci, możemy przeanalizować izotermę. Często o tym mówimy, ponieważ jest to unikalny sposób spojrzenia na wodę w tych produktach i uzyskania pełnego obrazu jej zachowania w danej substancji. Jak wyznacza się izotermę? Jak interpretować jej kształt i korelować go z różnymi cechami proszku?

Mary:

Izotermy wykorzystujemy m.in. do wyznaczenia punktu krytycznego – krytycznej aktywności wody, przy której zaczynamy obserwować zmiany tekstury i inne przekształcenia w strukturze produktu. Mówiąc najprościej: w którym momencie produkt zaczyna się zmieniać i pochłaniać znacznie więcej wilgoci? Jeśli mówimy o proszku, jest to zazwyczaj moment, w którym zaczyna się zbrylanie i tworzenie grudek. W przypadku innego produktu, na przykład przekąski, może ona zacząć mięknąć, dlatego warto zidentyfikować te punkty krytyczne. Możemy również przeanalizować nachylenie lub sam kształt izotermy, aby zidentyfikować strukturę, np. stan amorficzny w porównaniu do krystalicznego. Możemy to sprawdzić. Poddając próbki działaniu wilgotnego powietrza i obserwując ich zachowanie w czasie rzeczywistym, uzyskujemy mnóstwo cennych informacji o produkcie, które mogą być przydatne dla klienta.

Zachary:

Warto podkreślić, że dysponujemy unikalną metodą zwaną dynamiczną izotermą punktu rosy (DDI). Jest to najlepszy sposób na uzyskanie wykresu lub obrazu o wysokiej rozdzielczości przedstawiającego zachowanie wody. Istnieją inne metody, o których powiemy później, ale zastosowanie dynamicznej izotermy punktu rosy oraz analizatora sorpcji par to najlepszy sposób na scharakteryzowanie wody, a następnie przeanalizowanie czynników, takich jak stabilność fizyczna. W kolejnej sekcji omówimy stabilność fizyczną i jej znaczenie dla proszków.

Mary:

Dobrze.

Charakteryzowanie stabilności fizycznej proszków

Zachary:

Przyjrzyjmy się bliżej stabilności fizycznej. Kiedy myślimy o stabilności fizycznej proszków, musimy wziąć pod uwagę trzy główne czynniki: wilgotność, temperaturę i czas. Pozwolę Ci omówić te kwestije i dodać coś od siebie w razie potrzeby.

Mary:

Jeśli chodzi o wilgotność – zasadniczo, im wyższa dostępność wilgoci, tym więcej procesów ulega zmianie, tym więcej struktur ulega przeobrażeniu. Kiedy wspominałeś o DDI, moją pierwszą myślą było odniesienie tego do suszonego rozpylowo mleka w proszku, w którym przechodzimy ze stanu szklistego w stan gumowaty.

Gdybyśmy zastosowali inną, bardziej tradycyjną metodę wyznaczania izoterm, przeoczyłbyś to przejście, ponieważ zostaje ono w zasadzie pominięte. Zazwyczaj utrzymuje się próbki w określonej wilgotności i obserwuje skutki. Jednak w przypadku DDI proces ten zachodzi w czasie rzeczywistym i można faktycznie zobaczyć te transformacje. Mam na myśli dokładnie to, że wykorzystanie izoterm pozwala na śledzenie danych w czasie rzeczywistym i momentu, w którym zaczynają występować punkty krytyczne. Wilgotność ma kluczowy wpływ na te procesy, ponieważ woda zazwyczaj przyspiesza zachodzące zmiany.

Może ona pełnić funkcję rozpuszczalnika, reagenta, a nawet bufora w reakcjach chemicznych. Czasami role te zmieniają się w trakcie procesu lub wraz ze wzrostem ilości wilgoci, co prowadzi do odmiennego tempa reakcji. Poza wilgotnością musimy wziąć pod uwagę również temperaturę. Posiadamy grafikę, którą chętnie pokazujemy, ponieważ doskonale ilustruje, jak wspomniany punkt krytyczny ulega zmianie pod wpływem ciepła lub wzrostu temperatury produktu. Dzieje się tak – co jest logiczne, gdy się nad tym zastanowić – ponieważ zmiany zachodzą szybciej. Dostarczasz energię do układu, a ten układ przepływa szybciej. Zmiany te następują przy niższych wartościach aktywności wody lub szybciej w danym procesie.

Ostatnim czynnikiem jest czas. Jeśli damy procesowi odpowiednio dużo czasu, ulegnie on zmianie. Nawet gdyby udało się utrzymać pozostałe parametry, takie jak temperatura i wilgotność, na stałym poziomie, proces ten i tak by zaszedł, jeśli minąłby odpowiednio długi czas. Ostatnio myślałem o takim przykładzie. Masz stare szklane szyby – gdyby zmierzyć grubość u góry i u dołu bardzo starych szyb okiennych, okazałoby się, że dół jest grubszy niż góra, ponieważ szkło miało dużo czasu na płynięcie. To właśnie ta zasada: jeśli czemuś pozwolisz trwać wystarczająco długo, proces dojdzie do skutku. Wszystkie te trzy czynniki wpływają na stabilność fizyczną.

Zachary:

Warto również zauważyć, że w zależności od zadanego pytania można zastosować różne metody lub różne rodzaje izoterm. Wracając do dynamicznej izotermy punktu rosy – można jej użyć do znalezienia punktu krytycznego i dokładnego określenia, jaka kombinacja aktywności wody lub wilgotności względnej i temperatury wywoła ten efekt. Gdy znasz już lokalizację punktu krytycznego, możesz również przeprowadzić test DVS (dynamiczną sorpcję par), aby uzyskać odpowiedź dotyczącą czasu.

Wracając do Twojego przykładu z oknem – jak dużo czasu zajmie faktyczne osiągnięcie tego punktu krytycznego w określonych warunkach? Mamy sposób, aby na to odpowiedzieć. Posiadamy nasz analizator sorpcji par, który umożliwia przeprowadzenie obu tych metod – to unikalne i właściwie jedyne urządzenie zdolne do wykonania obu tych zadań. Jeśli masz problem ze stabilnością fizyczną, dostęp do obu rodzajów testów może być bardzo skuteczny.

Przejdźmy teraz do Twojego projektu mieszania przypraw. Czym był ten projekt? Jaki był jego cel i czego się z niego nauczyłeś?

Mary:

Jak wiemy, wilgotność przemieszcza się ze względu na różnice w aktywności wody. Pytanie brzmi: jak mocno się przemieszcza? Czy możemy to przewidzieć i jak dokładna jest ta predykcja? Owszem, mamy odpowiednie narzędzie. Istnieją równania, które próbują modelować tę interakcję między produktami. W ramach naszego projektu przygotowałem sześć różnych mieszanek: niektóre zawierały przyprawy, w innych zastosowaliśmy maltodekstrynę z sorbitolem, skrobię kukurydzianą i sól cebulową, a jeszcze inne składały się ziół – szałwii, oregano i kminu rzymskiego. Połączyliśmy je. Najpierw doprowadziliśmy je wszystkie do bardzo konkretnej, ustalonej aktywności wody. Następnie wykonaliśmy izotermy dla wszystkich tych składników, ponieważ jest to kluczowy czynnik – liczy się nie tylko początkowa aktywność wody czy stosunek masowy w mieszance, ale również charakterystyka samej izotermy, czyli zachowanie produktu w obecności wilgoci.

Chcemy wiedzieć, w jaki sposób pochłaniają wilgoć (lub jej nie pochłaniają) oraz jak dokładnie to przebiega. Musimy znać te informacje dla danego produktu, aby móc stworzyć dobry model predykcyjny. Zrobiliśmy to, a następnie wymieszaliśmy je w znanych proporcjach masowych. Potem zmierzyliśmy dokładną aktywność wody po upływie czasu potrzebnego na osiągnięcie równowagi. Następnie dokonaliśmy predykcji, a wyniki okazały się bardzo dobre. Pokazuję uzyskane kombinacje – pierwsza z nich u góry to skrobia kukurydziana i sól cebulowa. Wymieszaliśmy półtora grama skrobi kukurydzianej, która zaczynała z aktywnością wody na poziomie 0,435. Sól cebulową użyliśmy w ilości jednego grama, ale miała ona niższą aktywność wody. Zauważysz tam, że zaczynała od aktywności wody 0,35; po zmieszaniu rzeczywista aktywność wody naszej mieszanki wyniosła 0,429.

‍

Po uruchomieniu modelu predykcyjnego, który uwzględniał izotermy, masę początkową oraz początkową aktywność wody, przewidzieliśmy, że końcowa aktywność wody wyniesie 0,431 – czyli wynik był niezwykle, niezwykle bliski rzeczywistości. To zadziałało bardzo dobrze. Składniki te mają małe cząstki, więc stykają się ze sobą w wielu miejscach, co zapewnia szybsze osiągnięcie równowagi. Nie było to wielkim zaskoczeniem, ale cieszę się, że zadziałało to tak sprawnie. Możesz zobaczyć na innych naszych przykładach, że przeprowadziliśmy testy z bardzo dobrymi rezultatami. Wykonaliśmy również próbę z maltodekstryną i sorbitolem. Zmienialiśmy ilości oraz punkty wyjściowe. Jeden składnik miał wyższą wartość niż drugi, a potem to odwróciliśmy. Przetestowaliśmy różne kombinacje, żeby to sprawdzić. Na dole umieściliśmy również przyprawy: szałwię, kmin rzymski i oregano.

Te próby wypadły całkiem dobrze. Najgorszy scenariusz w naszym zestawieniu dotyczył ostatniego przykładu — może nie powinienem tego mówić, ale wewnętrzny głos naukowca podpowiada mi, że muszę. Zobaczysz, że nasza predykcja wynosiła 0,35 aktywności wody, podczas gdy rzeczywista wartość wyniosła 0,395. Wynik był o około 0,05 niższy. Chciałem tylko opowiedzieć o tym, jak to działa i jakie porównania przeprowadziliśmy.

Widzisz tutaj wszystkie izotermy dla szałwii, kminu rzymskiego, oregano oraz model połączony, w którym zestawiliśmy je wszystkie razem. Chciałem również pokazać, od czego zaczęliśmy. W tym miejscu uwzględniliśmy wszystkie składniki z ich początkową aktywnością wody oraz początkową zawartością wilgoci, opierając się na izotermie i masowych stosunkach składników. Gdy wszystko zostało połączone, jak widać, uzyskaliśmy końcową aktywność wody na poziomie 0,349.

W tym przypadku istotne jest to, że przeprowadzamy te obliczenia matematycznie, dlatego zależy nam na dobrym odwzorowaniu, czyli rzetelnym równaniu matematycznym oraz współczynnikach dla każdego ze składników. Kiedy już je uzyskaliśmy, nasza predykcja okazała się bardzo bliska rzeczywistości, z czego byłem niezwykle zadowolony. W przypadku przypraw rozmiar cząstek może wpływać na nieco gorszy kontakt między nimi; niewykluczone, że gdybyśmy pozwolili im oddziaływać na siebie dłużej, rezultat byłby nieco inny. Niemniej jednak jestem bardzo usatysfakcjonowany otrzymanym wynikiem. Chciałem również spojrzeć na to zagadnienie z innej perspektywy.

Zamodelowaliśmy izotermę, co pokazuję za pomocą czerwonej linii, jednak chciałem ją również skonfrontować z rzeczywistą izotermą, ponieważ po zmieszaniu tej mieszanki wykonaliśmy pomiar izotermy, aby sprawdzić, co uda nam się osiągnąć. Możesz zauważyć różnice między faktyczną a zamodelowaną izotermą – pokrywają się one doskonale, zwłaszcza w interesującym nas obszarze. Jeśli chodzi o przyprawy, zakres aktywności wody, w którym zazwyczaj się znajdują, wynosi od około 0,2 do 0,4. Jak zauważysz, dopasowanie jest niezwykle precyzyjne. Jestem bardzo zadowolony z danych uzyskanych w ramach naszego badania. Jak już wspomniałem, był to nasz najgorszy scenariusz, a pozostałe próby dały znacznie lepsze rezultaty.

Zachary:

Chciałbym na moment cofnąć się o krok i pomyśleć o tym, jak te rozwiązania znajdują zastosowanie w rzeczywistym świecie. Stale rozmawiam z naukowcami, na których wywierana jest ogromna presja, aby wprowadzali na rynek nowe produkty tak szybko, jak to możliwe. Jeśli zastosujesz ten rodzaj modelowania do sypkiej mieszanki składników, zyskujesz szybki sposób na uzyskanie szczegółowego wglądu w właściwości produktu końcowego jeszcze przed jego wytworzeniem. Stworzenie bazy danych i wyznaczenie izoterm dla poszczególnych składników wymaga co prawda nieco czasu, ale gdy już to zrobisz, możesz usiąść przed komputerem i w bardzo krótkim czasie ustalić, jaka będzie równowagowa aktywność wody. Nasz nowy program z pakietu Moisture Analysis Toolkit, dostarczany wraz z analizatorem desorpcji i absorpcji pary, wykonuje całą tę pracę za Ciebie. Wspomniałeś o równaniach, które działają w tle – zamiast tworzyć własne arkusze kalkulacyjne lub wykonywać te zadania samodzielnie, cały ten wysiłek zostaje wykonany za Ciebie, co ułatwia przewidywanie równowagowej aktywności wody.

Możesz również uzyskać wspomniane współczynniki dla tego modelu. Korzystając z nich, możesz zacząć zadawać pytania dotyczące przewidywanego okresu trwałości, czasu potrzebnego do osiągnięcia krytycznej aktywności wody czy też odpowiedniego rodzaju opakowania. Możliwości są ogromne, jeśli poświęcisz czas na przeanalizowanie tych izoterm i dokładne zrozumienie, w jaki sposób możesz wykorzystać te dane do uzyskania odpowiedzi na różnorodne pytania. Chciałem jedynie zaznaczyć, że wykresy, które prezentujesz, pochodzą z oprogramowania Moisture Analysis Toolkit. Narzędzie to i wykorzystywane przez nie równania pozwalają wielu naszym klientom – niezależnie od tego, czy produkują suplementy diety, czy też współpracujemy z jednymi z największych producentów przypraw w kraju – na znaczne przyspieszenie procesów produkcyjnych.

Mary:

Słuszna uwaga. Chciałbym również dodać, że mając już gotowe izotermy, mogę wielokrotnie powtarzać tę predykcję. Jestem w stanie zmodyfikować dowolny element i w ciągu zaledwie kilku chwil ponownie uruchomić obliczenia. Mogę na przykład zmienić proporcje masowe składników, jeśli uznamy, że ta mieszanka nie do końca nam odpowiada, nie jesteśmy zadowoleni z jej sypkości lub profil smakowy nie jest optymalny – na przykład gdy kminu rzymskiego jest w niej za dużo. Tę recepturę można łatwo skorygować bezpośrednio w oprogramowaniu. Rozważmy też inny przykład: podczas wcześniejszych webinarów poruszaliśmy kwestię sezonowości i tego, jak może ona wpływać na otrzymywane surowce.

Aktywność wody bywa wyższa latem, a niższa zimą. Monitorowanie dostarczanych surowców jest kluczowe, aby uniknąć niespodzianek związanych z przedostawaniem się wilgoci do produktu w sposób nieprzewidziany lub niepożądany. To jest właśnie czynnik, który możesz tutaj zmodyfikować. Możesz zmienić początkową aktywność wody dla dowolnego z tych produktów, a następnie po prostu powtórzyć predykcję. Mając te informacje, możesz w szerokim zakresie manipulować danymi.

Zachary:

To wszystko dotyczyło głównie stabilności fizycznej. Przejdźmy teraz do stabilności chemicznej i omówmy, w jaki sposób możemy wykorzystać aktywność wody, aby lepiej ją poznać i zrozumieć.

Charakteryzowanie stabilności chemicznej proszków

Zachary:

Przechodząc do stabilności chemicznej, chciałbym powrócić do naszego wykresu stabilności, który wyświetlaliśmy wcześniej.

Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ musisz mieć pewność, że Twój proszek dostarcza obiecanych korzyści zdrowotnych. Czy obiecane witaminy faktycznie tam są, czy też doszło do jakichś zmian chemicznych, o których musisz wiedzieć? Analizując wspomniany wykres stabilności, zauważysz w nim punkty, w których szybkość degradacji lub reakcji ulega zmianie – na przykład w okolicach aktywności wody wynoszącej 0,6 można zaobserwować nasilenie reakcji brunatnienia. Z kolei przy bardzo niskich wartościach aktywności wody zaczynamy dostrzegać wzrost utleniania lipidów.

Musisz po prostu zdawać sobie sprawę z tego, jak aktywność wody wpływa na szybkość reakcji i które z nich wiążą się z zakończeniem okresu trwałości produktu. Wiem, że niedawno pracowałeś nad eksperymentem dotyczącym witaminy C oraz jej związku z aktywnością wody. Czy możesz opisać to doświadczenie i przedstawić jego wyniki?

Mary:

Śledzenie szybkości reakcji chemicznych jest nieco bardziej skomplikowane, jednak jest to jak najbardziej wykonalne. Aby móc monitorować te szybkości, możemy wykorzystać zgromadzone dane do prognozowania okresu trwałości oraz wyznaczenia momentu, w którym produkt osiąga punkt oznaczający koniec jego przydatności do spożycia. Nasze badanie dotyczyło kwasu askorbinowego, który poddaliśmy działaniu dwóch różnych wartości aktywności wody oraz trzech różnych temperatur. Następnie monitorowaliśmy proces jego degradacji za pomocą spektrofotometrii UV-Vis, co pozwoliło nam obliczyć odpowiednie szybkości reakcji.

Kluczowym elementem tego procesu było zastosowanie równania Arrheniusa, które jest powszechnie wykorzystywane w tego typu reakcjach. W uproszczeniu polega ono na powiązaniu szybkości reakcji z temperaturą oraz energią. Wiemy już, że energię tę możemy bezpośrednio powiązać z aktywnością wody.

Przeprowadzamy badanie, zaczynając od punktu zerowego, a następnie przez okres od kilku dni do tygodni poddajemy kwas askorbinowy działaniu określonej aktywności wody oraz temperatury, obserwując zachodzące zmiany i nanosząc je na wykres. Tak wygląda nasze badanie. Zasadniczo zależy nam na poznaniu wpływu temperatury i aktywności wody na szybkość degradacji. Na wyświetlonym wykresie prezentujemy nasze profile czasowe. Wykorzystaliśmy aktywności wody na poziomie 0,76 i 0,948 oraz trzy temperatury w ramach badań przyspieszonych: 30°C, 40°C i 50°C. Uzyskane dane wprowadzamy do kalkulatora i posługujemy się równaniem Arrheniusa, aby wyciągnąć wnioski oraz skorelować wszystkie parametry. Gdy wszystkie dane badawcze zostaną zebrane i wpisane do systemu, możemy precyzyjnie określić parametry, które nas interesują.

Jaka temperatura nas interesuje? Jaka aktywność wody nas ciekawi? Musimy również zdefiniować w badaniu moment, który uznamy za koniec okresu trwałości. Jaki procent substancji pozostał? W naszym przypadku postanowiliśmy, że momentem granicznym będzie sytuacja, w której zachowa się 75% witaminy C. Oznacza to, że dopuszczamy utratę 25% witaminy C, a ten punkt uznajemy za koniec okresu przydatności do spożycia. Jeżeli jesteś technologiem lub producentem i wytwarzasz produkt zawierający witaminę o określonych deklaracjach dotyczących jej zawartości lub potencji, to właśnie na tej wartości oparmiesz definicję końca trwałości.

Po wprowadzeniu wszystkich tych informacji system może obliczyć okres trwałości. W naszym przypadku, biorąc pod uwagę kwas askorbinowy, gdybyśmy prowadzili badanie w temperaturze 30°C przy aktywności wody wynoszącej około 0,8 (co jest dość wysoką wartością, jednak można ją spotkać na przykład w zaparowanej łazience, co odpowiada wilgotności względnej rzędu 80%), a punktem granicznym – jak wspomniałem wcześniej – byłoby zachowanie 75% substancji, otrzymalibyśmy wynik 62 dni, po których kwas askorbinowy utraciłby swoją wymaganą moc.

W ten właśnie sposób funkcjonuje stabilność chemiczna. Musimy ją monitorować, a jeśli masz możliwość dokonania takiego pomiaru, jesteś w stanie przeprowadzić to badanie.

Zachary:

To kolejne narzędzie wchodzące w skład Moisture Analysis Toolkit, zaprojektowane specjalnie z myślą o stabilności chemicznej. Choć zgromadzenie danych może wymagać nieco czasu, gdy już zostaną one zebrane, ich wizualizacja na wykresie w programie jest niezwykle prosta. Jak przed chwilą pokazaliśmy, wystarczy podać początkową aktywność wody, interesującą nas temperaturę oraz zdefiniować kryterium końca okresu trwałości, aby szybko uzyskać wyniki obliczeń. Nawet jeśli przygotowanie badania wymaga czasu – a są to testy, które możemy wykonać we własnym zakresie lub poprowadzić przez nie klientów przy użyciu komór klimatycznych – po zebraniu danych zyskujemy ogromną elastyczność w przeprowadzaniu obliczeń i czerpaniu cennych wniosków. W Twoim przypadku skupiliśmy się na witaminie C, jednak podejście to sprawdzi się w przypadku każdego parametru, który potrafimy zmierzyć i któremu możemy przypisać konkretną wartość.

Mary:

To działa w obie strony. W tym konkretnym przypadku mówimy o szybkości degradacji, ale procesem decydującym o końcu trwałości może być również wzrost jakiegoś wskaźnika w czasie – na przykład nasilenie reakcji brunatnienia lub zmiana określonego parametru barwnego. Nie ma znaczenia, o jaką cechę chodzi, pod warunkiem że da się ją zmierzyć. Jeśli potrafisz śledzić te zmiany, możesz przekształcić je w szybkość reakcji i uzyskać wykresy takie jak te.

Zachary:

Obecnie na rynku dostępnych jest tak wiele suplementów diety oraz produktów w postaci proszków, że korzystanie z tego rodzaju narzędzi może pomóc producentom w precyzyjnym określeniu docelowej aktywności wody, warunków przechowywania czy warunków wyznaczających koniec okresu przydatności. Pozwala to dowiedzieć się, jaki będzie ubytek konkretnej witaminy lub w jaki sposób mogą oni w sposób uzasadniony umieścić oświadczenie na etykiecie. Skąd mają mieć pewność? To doskonały sposób, aby ją zyskać.

Mary:

Ponownie: w odniesieniu do wcześniejszego przykładu możesz w każdej chwili zmodyfikować swoje założenia. Możesz zmienić interesującą Cię temperaturę, aktywność wody, a nawet docelowy procent zachowania substancji. Wszystkie te parametry można w łatwy sposób edytować, a następnie natychmiast powtórzyć predykcję.

Charakteryzowanie stabilności mikrobiologicznej proszków

Zachary:

Na koniec omówmy stabilność mikrobiologiczną. Wiele proszków charakteryzuje się niską aktywnością wody i czasem ludzie nie zdają sobie sprawy, że nadal może wiązać się to z zagrożeniem dla bezpieczeństwa. Chcę przez to powiedzieć, że produkty w proszku mogą zawierać mikroorganizmy stanowiące potencjalne zagrożenie; produkt może być bezpieczny, ale nie oznacza to, że jest sterylny. Gdy proszek zostanie ponownie uwodniony, obecność przetrwalnika lub niebezpiecznego mikroorganizmu może prowadzić do problemów z bezpieczeństwem mikrobiologicznym. Wiem, że niedawno byłeś współautorem artykułu na ten temat – czy mógłbyś opowiedzieć, co się w nim znalazło?

Mary:

Ująłeś to idealnie. Pokutuje przekonanie, że w przypadku żywności o niskiej zawartości wilgoci nie trzeba martwić się rozwojem mikroorganizmów ani przejmować się aktywnością wody. Tymczasem mieliśmy do czynienia z wieloma – i to niestety dość częstymi – przypadkami wycofywania z rynku produktów o niskiej wilgotności z powodu skażenia i ogniska zatruć takimi patogenami jak pałeczki okrężnicy (E. coli) czy Salmonella w maśle orzechowym, mące czy mleku modyfikowanym dla niemowląt. To niezwykle przygnębiające. Faktem jest, że aktywność wody stanowi doskonały sposób na powstrzymanie wzrostu drobnoustrojów. Jeśli aktywność wody spadnie poniżej 0,6, żaden mikroorganizm nie będzie się rozwijał. To jednak rodzi fałszywe poczucie bezpieczeństwa: skoro wilgotność w moim produkcie jest niska, nie muszę się tym martwić. Należy jednak pamiętać, że sama aktywność wody nie działa sterylizująco – dokładnie tak, jak przed chwilą powiedziałeć – co oznacza, że drobnoustroje nadal żyją i znajdują się w stanie anabiozy.

Jeśli zostaną wystawione na działanie wyższej wilgotności lub wyższej aktywności wody w otoczeniu, na przykład po dodaniu mąki do ciasta na ciasteczka – co jest przecież zamierzonym działaniem – tworzy się środowisko sprzyjające rozwojowi i namnażaniu mikroorganizmów. Wtedy też zjawiska takie jak obecność salmonelli, pałeczki okrężnicy czy innych patogenów stają się niebezpieczne dla opinii publicznej. To w rzeczywistości bardzo szeroki temat. Kiedy niedawno uczestniczyłem w konferencji poświęconej bezpieczeństwu żywności, kwestia ta była bardzo często poruszana i odbyło się na ten temat wiele sesji. Obecnie prowadzi się również wiele badań nad tym, co można zrobić, aby ewentualnie sterylizować lub pasteryzować żywność o niskiej zawartości wilgoci. Prace te są w toku, a my znamy wielu badaczy – i wiem, że Ty również – którzy bardzo aktywnie nad tym pracują, próbując znaleźć sposoby na uniknięcie rozwoju drobnoustrojów i powiązanych z tym zatruć, aby móc skutecznie pasteryzować lub sterylizować takie produkty.

Zachary:

Jednym z takich badaczy, z którymi ostatnio rozmawialiśmy, jest dr Jennifer Acuff. Zajmuje się ona żywnością o niskiej zawartości wilgoci oraz środowiskami, w których jest ona wytwarzana, poszukując różnych metod, technik sanitarnych oraz sposobów zapobiegania obecności patogenów przenoszonych z żywnością w tego typu produktach. Ostatnio nagraliśmy z nią podcast, w którym właśnie o tym rozmawialiśmy. Z mojej perspektywy kluczowe jest dbanie o czystość i upewnienie się, że środowisko produkcyjne jest możliwie najczystsze. O tym samym rozmawialiśmy niedawno z dr. Minto Michaelem z Washington State University, analizując zagadnienia związane z mikrobiologą i różnymi kombinacjami temperatury, czasu oraz aktywności wody. Jak jednak słusznie zauważyłeś, nie każdy rodzaj żywności można poddać obróbce cieplnej, ponieważ doprowadzi to do zmian strukturalnych.

Mogą istnieć inne metody, takie jak obróbka mikrofalowa, wysokie ciśnienie lub inne techniki, które można zastosować w połączeniu z kontrolą aktywności wody, aby upewnić się, że produkty te są w pełni bezpieczne. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat bezpieczeństwa żywności, możesz posłuchać podcastu z dr Acuff lub dr. Michaelem.

Mary:

Zastanawiałem się również nad tym, jaką rolę odgrywa aktywność wody podczas procesu pasteryzacji. Nawet jeśli jesteś w stanie przeprowadzić ten proces – na przykład w przypadku suszonego mięsa czy podobnych produktów – osiągnięcie jego skuteczności wymaga odpowiedniej kombinacji czasu, temperatury oraz wilgotności. Drugą kwestią jest to, czy wykonując te czynności, rzeczywiście stwarzasz warunki do zniszczenia drobnoustroju, na którym Ci zależy. Jeśli dobierzesz odpowiedni czas i temperaturę, ale wilgotność będzie zbyt niska, skuteczność sterylizacji również spadnie. Czynników, które należy wziąć pod uwagę, jest bez wątpienia bardzo dużo.

Podsumowanie i rekomendacje

Zachary:

Krótkie podsumowanie:

• Dzisiaj przyjrzeliśmy się proszkom i spróbowaliśmy je zdefiniować.
• Omówiliśmy stabilność fizyczną, chemiczną i mikrobiologiczną.
• Wspomnieliśmy o niektórych produktach z serii AQUALAB, które wykorzystaliśmy do naszych badań i które posłużyły jako podstawa dzisiejszych rozważań.

Chciałbym w tym miejscu zaznaczyć, że choć tworzymy rozwiązania do pomiaru produktów końcowych lub surowców, posiadamy również system do pomiarów w linii produkcyjnej o nazwie SKALA Dry, który może okazać się niezwykle pomocny w przypadku produktów suszonych rozpyłowo.

Jeśli masz problem z uzyskaniem powtarzalnej jakości produktu w obliczu zmieniających się temperatur i pór roku, system SKALA Dry może automatycznie pomóc Ci osiągnąć właściwą aktywność wody dla danego produktu.

Zachęcamy również do wysłuchania wspomnianego podcastu „Water In Food”. Prowadzimy także kanał na YouTube – zapraszamy do subskrypcji i śledzenia naszych materiałów.

W tym momencie otwieramy dyskusję i chętnie odpowiemy na pytania.

1. Czy istnieje sposób na pomiar lub monitorowanie higroskopijności proszków, z którymi pracuję?

Zachary:

Świetne pytanie. Jeśli chodzi o higroskopijność, możemy przeanalizować kształt krzywej izotermy. O tym zagadnieniu wspominaliśmy już wcześniej i możemy do niego powrócić – kluczowa jest tu analiza nachylenia tych krzywych.

W tym przypadku analizujemy różne substancje pomocnicze. Im większe nachylenie krzywej, tym wyższa higroskopijność i tym silniej dany proszek pochłania lub wiąże wodę. Już na podstawie samego kształtu tej krzywej możemy szybko i wzrokowo dostrzec różnice w stopniu higroskopijności poszczególnych proszków. Nie wiem, czy chcesz coś do tego dodać.

Mary:

To dobre wyjaśnienie. Zasadniczo im bardziej strome nachylenie krzywej, tym wyższa higroskopijność, co może również oznaczać, że dany składnik będzie w stanie przekazać więcej wilgoci produktowi końcowemu, cokolwiek by to nie było. Zrozumienie tej relacji i stopnia higroskopijności jest zdecydowanie istotnym czynnikiem.

Zachary:

Dodam tylko, że w zależności od Twojej formuły, założonego celu lub oczekiwanego rezultatu, możesz potrzebować składnika o większym lub mniejszym nachyleniu krzywej. Kwestia tego, jakiego nachylenia szukasz, zależy wyłącznie od konkretnego produktu i receptury.

Mary:

Jeśli zależy Ci na składniku, który będzie w pożądany sposób zwiększał ilość wody lub wiązał ją, to jest na to dobry sposób. Możesz zastosować składnik o stromym nachyleniu krzywej, który pochłonie duże ilości wilgoci, a następnie odda ją do produktu, co pozwoli dobrać odpowiednią recepturę pod kątem docelowej aktywności wody. Nie jest to wada sama w sobie, a jedynie właściwość, o której warto wiedzieć.

2. Co miało większy wpływ na degradację witaminy C – temperatura czy aktywność wody?

Mary:

Dobrze, tę kwestię wezmę na siebie. Aktywność wody okazała się zdecydowanie głównym czynnikiem wpływającym na degradację witaminy C, w znacznie większym stopniu niż temperatura. Gdyby powrócić do danych, można to zauważyć na własne oczy – porównując reakcje zachodzące przy zmianie wyłącznie temperatury z tymi, w których modyfikowaliśmy aktywność wody, w tym konkretnym przypadku wyraźnie widać, że to właśnie aktywność wody jest ważniejszym czynnikiem.

Zachary:

Wszystko zależy jednak od konkretnej witaminy – o czym również niedawno rozmawialiśmy. Mimo że witamina C zachowała się w ten sposób, w przypadku każdej innej witaminy lub aktywnego składnika, który Cię interesuje, konieczne będzie przeprowadzenie osobnej analizy. Taka tendencja nie musi powtarzać się za każdym razem. Aktywność wody nie zawsze musi wywierać największy wpływ. Aby dowiedzieć się, który czynnik ma większe znaczenie, niezbędne jest przeprowadzenie tego typu badań.

Mary:

Zgadza się. W przypadku utleniania tłuszczów kluczowa może być obecność tlenu lub witamina E. Można to monitorować, a wyniki mogą wyglądać zupełnie inaczej. Jednak dla witaminy C decydująca była aktywność wody.

3. W jaki sposób aktywność wody lub zawartość wilgoci wiążą się z szybkością rozpuszczania się proszku?

Mary:

Powiedziałbym, że nie chodzi tu tyle o samą aktywność wody czy zawartość wilgoci per se, ile o strukturę samego proszku, jego zdolność do szybkiego rozpuszczania oraz środowisko, w którym się znajdzie. Jeśli mamy do czynienia z napojem w proszku, będzie on przebywał w środowisku o wysokiej aktywności wody, co pozwoli mu szybko się rozpuścić. Wszystko jednak zależy od kontekstu. Przykładowo, jeśli produkt zawiera hydrat, oznacza to, że cząsteczki wody są już z nim wstępnie związane, co zazwyczaj sprzyja szybszemu rozpuszczaniu. Sprawa nie jest tak prosta jak znajomość samej aktywności wody i wilgotności proszku – kluczowe znaczenie ma jego struktura oraz to, jak szybko potrafi się rozpuścić.

Zachary:

Dodam jeszcze, że analizując izotermę oraz test DVS – jeśli uda się zidentyfikować punkt deliquescencji (upłynniania) lub moment, w którym cała substancja przechodzi w roztwór – możemy wykorzystać test DVS do określenia, ile to potrwa. Być może warto przyjrzeć się strukturze, opierając się jednocześnie na informacjach wynikających z izotermy.

Mary:

Zgadza się. Istotną cechą proszku jest jego rozpuszczalność, ponieważ większość proszków, z którymi mamy do czynienia, ma właśnie takie zadanie. Jeśli masz np. mieszankę do przygotowania napoju, dodajesz ją do czegoś innego. Co jednak zrobić, gdy chcemy zapobiec zbrylaniu się produktu w opakowaniu? Wszyscy tego doświadczyliśmy – kupujemy mieszankę napoju lub inny produkt, a on jest twardy. Być może analizując izotermę, ustalimy ten krytyczny punkt dla danej mieszanki, a następnie dobierzemy opakowanie, które zabezpieczy ją przed jego przekroczeniem, albo zastosujemy substancję przeciwzbrylającą. Wszystko to wpływa na rozpuszczalność proszku.

4. Jak trwałość proszku bezpostaciowego (amorficznego) ma się do trwałości proszku krystalicznego?

Zachary:

To zależy, co powoduje zakończenie okresu trwałości. Czy analizujemy zmianę tekstury, czy zmianę chemiczną? Najpierw musimy zdefiniować, jak wygląda ten punkt końcowy, a następnie co można do tego dodać?

Mary:

Dobre pytanie. Proszki krystaliczne mają wspomniany przeze mnie punkt deliquescencji – czyli przejście ze stanu stałego bezpośrednio w stan ciekły – który zależy od wilgotności otoczenia. Jeśli uda się utrzymać środowisko wokół takiego proszku krystalicznego poniżej tego poziomu, aktywność wody może gwałtownie wzrosnąć bez zmiany struktury samego proszku. Można wtedy uzyskać bardzo długi okres trwałości. Dobrym przykładem jest sacharoza, NaCl czy podobne substancje, które charakteryzują się po prostu długą trwałością.

Jednak jeśli wartość ta zostanie przekłroczona, pojawiają się problemy. Wszystko zależy – jak wspomniałeś – od tego, co zakończy okres trwałości, w jakim środowisku produkt będzie się znajdował i jakie rozwiązanie ma sens. Prowadziliśmy również webinar poświęcony substancjom słodzącym, gdzie ciekawym zagadnieniem były ich właściwości rozpuszczalne, przejścia między strukturami amorficznymi a krystalicznymi oraz to, w jaki sposób mogą one wytrącać się z produktu. To złożone pytanie. Czy istnieje jedna definitywna odpowiedź? Może spróbuję to uprościć. Jeśli struktury krystaliczne utrzymuje się poniżej punktu krytycznego, można je poddać działaniu dowolnych warunków poniżej tej wartości – właściwie nic się nie zmieni, ponieważ każda interakcja z wodą dotyczy powierzchni. Z drugiej jednak strony, jeśli ten punkt zostanie przekłroczony, lub jeśli mamy do czynienia z reakcją chemiczną bądź innym zjawiskiem, wkraczamy w zupełnie inny obszar, o którym trzeba porozmawiać.

Zachary:

Dodam tylko, że w przypadku ciał stałych lub proszków krystalicznych punkty deliquescencji są zazwyczaj dość wysokie – mogą wynosić około 0,9 aktywności wody lub znajdować się w tym zakresie – podczas gdy proszek amorficzny może wykazywać zmianę fizyczną już przy aktywności wody od 0,3 do 0,6. Jeśli o trwałości decyduje wyłącznie tekstura, przypuszczam, że większość ciał stałych o strukturze krystalicznej będzie miała dłuższy okres trwałości. Jeśli jednak martwimy się stabilnością chemiczną lub reakcjami chemicznymi, udzielenie odpowiedzi na to pytanie będzie wymagało dokładniejszej analizy i przeprowadzenia eksperymentu.

Mary:

Wracając do kwestii struktur krystalicznych, o której jeszcze nie wspomnieliśmy: małe cząstki, nietypowe struktury, kształty lub zróżnicowane rozmiary mogą sprawić, że przy wilgotności pokojowej niespodziewanie dojdzie do zjawiska klejenia się i tworzenia struktur pomostowych. Nawet jeśli krystaliczna struktura utrzymywana jest poniżej punktu deliquescencji, rozmiar cząstek bez wątpienia nadal wpływa na stabilność takiej struktury.

‍