Khái niệm hoạt độ nước trong thực phẩm và dược phẩm

Hoạt độ nước là gì? Hoạt độ nước (aw – Water Activity) hoặc độ ẩm tương đối ở trạng thái cân bằng (ERH – Equilibrium Relative Humidity) là một thông số quan trong trong việc kiểm tra chất lượng của các sản phẩm hoặc vật liệu nhạy cảm với độ ẩm. Hoạt độ nước theo định nghĩa là nước tự do hoặc nước không liên kết hoá học trong thực phẩm, dược phẩm và các sản phẩm khác.

 

1. Nước là gì ?

Nước (H₂O) là một chất lỏng trong suốt được tìm thấy trên khắp hành tinh trái đất. Vòng tuần hoàn của nước tồn tại: Nước sông, suối, hồ và đại dương sẽ được bốc hơi nước trong khí quyển, sau đó sẽ ngưng tụ và tạo mưa.

Sự bay hơi có thể xảy ra dự trên áp suất bảo hoà của nước. Áp suất hơi của nước hoặc áp suất hơi bão hoà cho biết lượng hơi nước có thể tồn tại trong hỗn hợp không khí và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ:

 

Nhiệt độ (oC)	Áp suất hơi nước (kPa)
0	0.61
10	1.23
20	2.34
30	4.24
40	7.37
50	12.33
60	19.92
70	31.18
80	47.34
90	70.11
100	101.33 = 1 atm

Độ ẩm tương đối là tỷ lệ giữa áp suất riêng phần của hơi nước và áp suất hơi bão hoà của nước ở cùng nhiệt độ. Không khí càng ẩm, độ ẩm tương đối càng cao.

Sự ngưng tụ xảy ra khi độ ẩm tương đối trên 100% - Hơi nước sẽ ngưng tụ từ không khí và xuất hiện các giọt nước.

 

2. Những sản phẩm nào chứa nước ?

Hai loại lớn được tồn tại:

- Ưa nước: hút nước từ môi trường xung quanh

+ Các loại muối

+ Sợi thực vật (gỗ, giấy,…)

+ Sản phẩm thịt

- Kỵ nước: Các chất không hấp thụ nước từ môi trường xung quanh

+ Khí

+ Cát, thuỷ tinh dạng bột

+ Kim loại dạng bột

 

3. Hoạt độ nước là gì ?

Nói một cách dễ hiểu: Hoạt độ nước là hàm lượng nước “tự do” hoặc “không liên kết hoá học” trong sản phẩm

Nói về định nghĩa đúng theo U.S.Food and Drug Administration:

“The water activity (aw) of a food is the ratio between the vapor pressure of the food itself, when in a completely undisturbed balance with the surrounding air media, and the vapor pressure of distilled water under identical conditions. A water activity of 0.80 means the vapor pressure is 80 percent of that of pure water. The water activity increases with temperature. The moisture condition of a product can be measured as the equilibrium relative humidity (ERH) expressed in percentage or as the water activity expressed as a decimal.”

(Hoạt độ nước (aw) của thực phẩm là tỷ lệ giữ áp suất hơi của chính thực phẩm khi ở trạng thái cân bằng và áp suất hơi của nước cất trong đIều kiện giống hệt nhau. Hoạt độ nước 0.8 có nghĩa là áp suất hơi bằng 80% của nước nguyên chất. Hoạt độ nước tăng theo nhiệt độ. Điều kiện độ ẩm của sản phẩm có thể đo dưới dạng độ ẩm tương đối ở trạng thái cân bằng (ERH) được biểu thị bằng phần trăm hoặc hoạt độ nước biểu thị dưới dạng số thập phân”)

Công thức tính toán hoạt độ nước

Aw = p/ps

Trong đó:

P là áp suất hơi nước trên bề mặt sản phẩm

Ps là áp suất hơi nước trên bề mặt của nước tinh khiết

Giá trị aw luôn nằm trong khoảng 0 đến 1. Cả 2 tham số áp suất trên đều phụ thuộc vào nhiệt độ nên giá trị aw sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ.

 

4. Tại sao phải đo hoạt độ nước ?

Hoạt độ nước đóng vai trò quan trọng với chất lượng sản phẩm trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

• Công nghiệp sản xuất

• Công nghiệp thực phẩm

• Công nghiệp dược phẩm

• Công nghiệp thuốc lá

Tất cả các dạng sinh vật sống đều phụ thuộc vào nước. Khi xác định hoạt độ nước sẽ cho biết lượng nước có sẵn về mặt sinh học đối với vi sinh vật. Mỗi loài vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men, nấm mốc,…) có giá trị hoạt độ nước tối thiếu để không thể phát triển:

Hoạt độ nước	Có chứa
AW = 0.91 đến 0.95	Nhiều vi khuẩn
AW = 0.88	Nhiều nấm men
AW = 0.80	Nhiều nấm mốc
AW = 0.75	Vi khuẩn ưa mặn (Halophile)
AW = 0.7	Nấm men ưa thẩm thấu (Osmiophile)
AW = 0.65	Nấm mốc ưa khô (Xerophile)

 

 

5. Giá trị hoạt độ nước của 1 số loại thực phẩm phổ biến

Hoạt độ nước trong một số loại thực phẩm:

Loại sản phẩm	Giá trị aw	Loại sản phẩm	Giá trị aw
Pate gan	0.96	Bơ đậu phộng (15% độ ẩm)	0.70
Nhân đậu đỏ	0.93	Sữa khô (8% độ ẩm)	0.70
Nước sốt fudge	0.83	Phô mai phếch lên bánh	0.95
Xì dầu	0.80	Trứng cá muối	0.92
Thức ăn mềm cho thú cưng	0.83	Salami	0.82

 

Nước có thể ảnh hưởng đến nhiều loại sản phẩm khác nhau, và trong ngành công nghệ thực phẩm được công nhận hàm lượng nước rất quan trọng với sự ổn định vi sinh vật, enzyme, hoá học và thành phần của sản phẩm. Sự thay đổi hoạt độ nước có thể ảnh hưởng đáng kể đến:

• Màu sắc

• Mùi vị

• Giá trị dinh dưỡng

• Hàm lượng protein và Vitamin

• Thời hạn sử dụng

• Bảo quản và đóng gói

• Độ hoà tan

 

6. Sự di chuyển của nước trong sản phẩm ?

Hoạt độ nước của sản phẩm sẽ luôn cố gắn đạt trạng thái cân bằng với môi trường khí quyển xung quanh. Nước tự do sẽ di chuyển từ vùng có hoạt độ nước cao sang vùng có hoạt độ nước thấp và đến khi nào đạt trạng thái cân bằng. 

Công thức tính độ ẩm tương đối ở trạng thái cân bằng ERH = 100 x aw

 

7. Cân bằng tĩnh là gì ?

Can bằng tỉnh là một tập hợp điều kiện trong đó sản phẩm và bầu môi trường xung quanh có cùng mức hoạt độ nước

• Sản phẩm và môi trường cùng ở một  nhiệt độ

• Áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường giống như trong sản phẩm

 

8. Kiểm soát hoạt độ nước như thế nào ?

Hoạt độ nước trong sản phẩm được kiểm soát bằng cách sử dụng các chất phụ gia khác nhau (chất giữ ẩm), bằng cách sử dụng các vật liệu đóng gói đạt yêu cầu hoặc duy trì các điều kiện bảo quản tốt nhất

 

9. Đo hoạt độ nước được ứng dụng như thế nào trong thực tế ?

Hoạt độ nước cung cấp thông tin tốt hơn về tổng hàm lượng ẩm liên quan đến:

• Tính ổn định của vi sinh vật, hoá học và enzym của các sản phẩm dễ hư hỏng như thực phẩm, dược phẩm, nông nghiệp (đặc biệt là hạt giống)

• Tính kết dính và chảy của các sản phẩm dạng bột

• Độ bám dính của lớp phủ

• Kiểm soát đặc tính vón cục và nén

• Độ ổn định về kích thước của các vật liệu (ví dụ như giấy)

• Độ bền kéo và độ dàn hồi

• Độ bền áp suất và nén

 

10. Tổng lượng nước trong sản phẩm

Như vậy chúng ta đã thấy rằng, hoạt độ nước là một phần của tổng hàm lượng nước trong sản phẩm; đặc biệt nó là nước tự do. Tuy nhiên, Sản phẩm cũng tồn tại nước dạng liên kết. Nước liên kết thường được đo hồng ngoại hoặc mất đi khi sấy khô: đây gọi là hàm lượng ẩm (moisture).

 

11. Mối quan hệ tương quan giữa độ ẩm và hoạt độ nước

Ở trạng thái cân bằng, mối quan hệ giữa phần trăm độ ẩm và hoạt độ nước có thể biểu diễn bằng một đường cong: đường đẳng nhiệt hấp phụ. Mỗi sản phẩm sẽ có một đường đẳng nhiệt hấp phụ riêng.

Nhờ đường đẳng nhiệt hấp phụ, độ ẩm của sản phẩm có thể được xác định bằng cách đo hoạt độ nước. Điều này có lợi vì các phép đo hoạt độ nước rất nhanh chóng (04 đến 06 phút) và không phá huỷ mẫu. Đường đẳng nhiệt hấp phụ (thường không tuyến tính) và được xác định bằng thực nghiệm đối với từng sản phẩm và ở các nhiệt độ khác nhau.

12. Nên đo gì: Hoạt độ nước hay hàm lượng ẩm ?

Cả hai phép đo đều có ưu và nhược điểm.

Nhược điểm của việc đo hàm lượng ẩm:

• Hàm lượng ẩm sẽ không cho bạn biết có bao nhiêu nước tự do trong sản phẩm để xác định vi sinh vật

• Không cung cấp thông tin về cách di chuyển của nước vào hoặc ra sản phẩm

• Đo hàm lượng ẩm sẽ phá huỷ mẫu

• Kỹ thuật đo lường tốn kém và tốn nhiều thời gian

• Hàm lượng ẩm không bị ảnh hưởng bởi khâu chuẩn bị mẫu

Tuy nhiên, việc đo hoạt độ nước sẽ mang nhiều lợi ích:

• Trực tiếp đo nước tự do

• Không phá huỷ mẫu

• Đo lường nhanh chóng và đơn giản

• Đo lường sự khác biệt trong việc chuẩn bị mẫu (quan trọng đối với các sản phẩm bị hư hỏng do tiếp xúc với môi trường bên ngoài như viên nén, hầu hết các sản phẩm thực phẩm và hạt giống)

 

Ví dụ: sử dụng hoạt độ nước để kiểm tra thời hạn sử dụng

Đối với các sản phẩm thực phẩm đặc biệt không có sẵn dữ liệu về giá trị hoạt độ nước công bố thì thời hạn sử dụng không thể đánh giá chỉ bằng cách đo hoạt độ nước.  Ngoài ra, quy trình sản xuất cps thể thay đổi, tinh chỉnh để tạo ra sự tốt nhất giữa giá thành sản phẩm và thời hạn sử dụng. Trong ví dụ, sản phẩm A được sản xuất thành bốn lô, mỗi lô được kiểm tra hoạt độ nước và theo dõi thời gian sử dụng.

Sản phẩm A	Hạn sử dụng	Giá trị hoạt độ nước
Lô 1	9 tháng	0.83 aw
Lô 2	5 tháng	0.85 aw
Lô 3	3 tháng	0.88 aw
Lô 4	2.5 tháng	0.90 aw

 

Kết luận: Thử nghiệm chứng minh rằng để đáp ứng thời hạn sử dụng 3 tháng thì sản phẩm A được sản xuất với giá trị hoạt độ nước nhỏ hoặc bằng 0.88 AW.

 

13. Nhiệt độ có ảnh hưởng tới giá trị hoạt độ nước ?

Hoạt độ nước nhạy cảm với nhiệt độ. Chỉ có thể thực hiện phép đo khi mẫu sản sản phẩm, buồng đo mẫu và các cảm biến đo lường ở nhiệt độ ổn định. Nhiều tiêu chuẩn yêu cầu các phép đo phải được thực hiện ở một nhiệt độ cụ thể.

Trong các tình huống không thể kiểm soát được nhiệt độ môi trường hoặc khi bạn muốn kiểm tra mẫu ở nhiệt độ khác xa vớinhiệt độ môi trường xung quanh => nên sử dụng hệ thống kiểm soát nhiệt độ.

 

14. Nguyên tắc đo Hoạt độ nước của Rotronic ?

Rotronic đo hoạt độ nước bằng cảm biến điện dung màng mỏng. Điện dung của cảm biến thay đổi dựa trên số lượng phân tử nước trong không khí (buồng đo mẫu). Rotronic sử dụng nguyên tắc tương tự để đo độ ẩm tương đối: 0…. 1 aw = 0 …. 100% RH. Cảm biến độ ẩm HygroMer AW1 có độ ổn định lâu dài và độ chính xác cao.

    

Tham khảo cách đo hoạt độ nước trong 5 phút với máy đo hoạt độ nước của Rotronic:

 

15. Làm thế nào tôi có thể chắc chắn rằng các phép đo của tôi là chính xác ?

Tất cả các đầu dò đều được cấp giấy chứng nhận hiệu chuẩn của nhà máy ở 3 điểm độ ẩm và 1 điểm nhiệt độ. Các thiết bị tham chiếu hiệu chuẩn/hiệu chỉnh được chứng nhận ISO 17025. 

 

16. Hiệu chuẩn/hiệu chỉnh đầu dò đo hoạt độ nước ?

Rotronic khuyến cáo đầu dò cần hiệu chuẩn 12 tháng/lần. Nhưng tuỳ thuộc vào quy trình vận hàng tiêu chuẩn (SOP) riêng của khách hàng, sẽ xác định khoảng thời gian hiệu chuẩn của riêng khách hàng.

Để thực hiện hiệu chuẩn/hiệu chỉnh đầu dò đo hoạt độ nước bằng cách:

- Sử dụng các dung dịch chuẩn của Rotronic: giá trị rộng từ 0.5, 5, 10, 11, 20, 35, 50, 60, 65, 75, 80 và 95%RH. Mỗi hộp dung dịch chuẩn được cung cấp kèm giấy chứng nhận hiệu chuẩn ISO 17025

- Buồng tạo nhiệt độ và độ ẩm chuẩn HG2-S/ HG2-XL: buồng tạo này sẽ điều chỉnh nhiệt độ từ 0 … 60^oC và độ ẩm từ 5 … 95%RH