Вимірювання відносної вологості і активності води

Одиниці виміру вологості 

Похибка розрахунку точки роси для гігрометрів 

Сучасні мікропроцесорні гігрометри використовують результати визначення відносної вологості та температури для розрахунку інших параметрів, таки як точка роси, співвідношення суміші, ентальпія тощо. Дані перетворення мають певну похибку, величина якої залежить від умов вологості та температури. Типові криві похибок для розрахунку точки роси наведені в наступній діаграмі:

Точність розрахунку точки роси з використанням гігрометрів меншої від тієї, що зазвичай можна досягти із застосуванням приладів, що працюють на принципі охолодженого дзеркала. Це особливо вірно для низьких значень точки роси (більш ніж -40 ... -50 ° C) і для низьких температур. У більшості додатків, відтворюваність показань важливіше їх правильності. Відтворюваність розрахунку точки роси зазвичай становить 1/3 від зазначеної вище похибки.

Використання розрахункової точки роси дозволяє проводити вимірювання в умовах, коли не застосовуються прилади з охолоджуваним дзеркалом. Зазвичай, вимірювальна частина приладів з охолоджуваних дзеркалом обмежена в умовах експлуатації температурами до 70 °C. На додаток до можливостей працювати при високих температурах, датчики відносної вологості мають ряд значних переваг для промислових застосувань: менше вимог до обслуговування, велика стійкість до забруднень, відсутність системи пробовідбору, відсутність проблем з ідентифікацією роси та інею, і кращий відгук для швидко мінливих обставин.

Вимірювання активності води 

Активність води: визначення та області застосування

Визначення

Вода - складова частина всіх продуктів харчування. Технологічні властивості, інтегральний показник якості та терміни зберігання харчових продуктів багато в чому визначається властивостями міститься в них води.
W.J.Scott запропонував використовувати показник "активність води", який визначається як відношення парціального тиску водяної пари над продуктом до парціального тиску водяної пари над чистою водою при даній температурі. На підставі цілого ряду досліджень встановлено, що показник "активність води" відображає ступінь активної участі води в різних процесах, що відбуваються в харчовому продукті. Зараз експериментальні дані дозволяють зробити висновок, що рівень активності води впливає на інтенсивність проходять в продукті таких реакцій, як окислення ліпідів, створення меланоідів, активність ферментативних, мікробіологічних та інших процесів.
З огляду на важливість і велику інформаційність показника активності води, в країнах Об'єднаної Європи його визначення, поряд з показниками "вологість" і "концентрація водневих іонів", є обов'язковим при експертизі ряду продуктів, а в США визначення активності води включено в інструкцію по контролю якості харчових продуктів, а також лікарських засобів і препаратів.
У більшості випадків, активність води є функцією вмісту вологи, хімічного складу, структури, фазового стану і температури продукту. Для рідких середовищ за стандартний стан приймається чистий розчинник.
Зміст вологи в продукті може бути визначено як масовий відсоток води по відношенні до маси сухого продукту.
Продукти, в яких може міститися волога, можуть бути поділені на дві категорії: гігроскопічні та негігроскопічні. До гігроскопічних матеріалів відносяться солі, рослинні волокна, більшість оксидів металів, безліч полімерів і т.д. Типовими представниками негігроскопічних матеріалів є порошки металів, скляні гранули тощо.
Відносно вмісту вологи в продукті ми визначили статичну рівновагу як поєднання умов, при якому продукт більше не обмінюється вологою з навколишнім повітрям. В умовах статичної рівноваги, вміст вологи гігроскопічного продукту залежить від природи продукту і наступних двох факторів:
(a) парціального тиску парів води безпосередньо в оточенні продукту
(b) температури продукту
Якщо вміст вологи в продукті не залежить від цих двох чинників, то продукт не гігроскопічний.
Гігроскопічні продукти можуть поглинати вологу різними шляхами: сорбція з утворенням гідрату, утримуваного шляхом поверхневої енергії, дифузія молекул води в структуру матеріалу, капілярна конденсація, освіта розчинів і т.д. Залежно від типу абсорбційного процесу, вода може більш-менш міцно утримуватися продуктом. Волога, що міститься в продукті може включати як іммобілізовану частину (наприклад, воду у вигляді гідратів), так і активну (не пов'язану хімічно) частину.
Активність води Aw (або рівноважна відносна вологість % ERH) вимірює тиск парів, що генерується вологою, яка присутня в гігроскопічність продукті.
Aw = p / ps и %ERH = 100 x Aw, де:
p : парціальний тиск парів води над поверхнею продукту
ps : тиск насичення, або парціальний тиск парів над чистою водою при температурі продукту
Активність води відображає активну частину міститься вологи, або частина, якої продукт при нормальних умовах може обмінюватися з навколишнім середовищем.
Активність води зазвичай визначається в умовах статичної рівноваги. При цих умовах, парціальний тиск парів води (p) у поверхні продукту дорівнює парціальному тиску водяної пари в навколишньому середовищі продукту. Будь-який обмін вологою між продуктом і навколишнім середовищем визначається різницею між цим двома тисками.
Пари води можуть також бути присутнім в газах або газових сумішах. Відносна вологість газу визначається як
%RH = 100 x p/ps, де
p - парціальний тиск парів води, присутніх в газовій суміші
ps - тиск насичення, або парціальний тиск парів над чистою водою при температурі газу

Активність води (Aw) та температура

Як активність води (матеріали), так і відносна вологість (гази) співвідносяться до тиску насичення (ps) або парціальному тиску пари над чистою водою:
Aw = p / ps
%RH = 100 x p/ps
Тиск насичених парів (ps) сильно залежить від температури. При звичайній кімнатній температурі (ps) збільшується приблизно на 6.2% з кожним збільшенням температури на 1 ° C. В умовах відкритого простору ненасиченого парами води, парціальний тиск парів води (p) не змінюється з температурою. В умовах замкнутого простору, (p) змінюється пропорційно температурі, вираженої в градусах Кельвіна ° K (° K = ° C + 273.16). при нормальній кімнатній температурі, зміни в парціальному тиску пари (p) викликаються невеликою зміною температури в ° C практично незначущі. Оскільки (p) не залежить від температури, в той час, як (ps) залежить, відносна вологість газів (% RH = 100 x p / ps) сильно залежить від температури. При відносній вологості 95% RH і кімнатній температурі, збільшення температури на 1 ° C призводить до зменшення відносної вологості приблизно на 6% RH. При відносній вологості 50% RH і такому ж збільшення температури, зменшення відносної вологості відбувається приблизно на 3% RH.
Активність води більшості гігроскопічних продуктів не так сильно залежить від температури. При кімнатних умовах дані досліджень показують, що активність води змінюється, грубо, від 0.0005 до 0.005 Aw (0.05 to 0.5% RH) при зміні температури на 1 ° C.
Це пояснюється тим фактом, що парціальний тиск (p) над поверхнею продукту змінюється з температурою. Для більшості гігроскопічних продуктів величина зміни парціального тиску водяної пари (p) з температурою над їх поверхнею майже така ж (але не точно), як величина зміни парціального тиску насичених водяних парів (ps) над чистою водою.
У підсумку, зміна температури викликає зміна в парціальному тиску водяної пари над гігроскопічним продуктом. Водночас, парціальний тиск парів води в навколишньому продукт повітрі практично не змінюється. Це призводить до того, що будь-яка зміна в температурі гігроскопічного продукту ініціює обмін вологою з повітрям (або газом) який його оточує. Обмін відбувається до тих пір, поки парціальний тиск парів води над продуктом і в навколишньому повітрі не вирівняється. При вимірюванні активності води дуже важливо, по можливості, підтримувати температуру на постійному рівні.

Застосування

Активна частина міститься в речовині вологи, або, як тепер ясно, активність води, забезпечує більш точну інформацію в порівнянні із загальною вологістю, щодо мікробіологічної, хімічної та ферментної стабільності швидкопсувних речовин, таких як продукти харчування і насіння. З тих же причин, активність води не менш значуща та у фармацевтичній промисловості, де вона надає корисну інформацію щодо щільності (міцності) таблеток і пігулок або якості нанесення оболонок. Активність води можна безпосередньо порівнювати з відносною вологістю навколишнього повітря для запобігання змін в продукті (папері, фотографічних плівках), для запобігання гігроскопічних порошків (цукрової пудри, солі) від злипання або скам'яніння, і т.д.
Активність води може використовуватися з деякими продуктами (переважно синтетичними) як спосіб непрямого визначення загального вмісту вологи. Для цих цілей необхідно отримання ізотерми сорбції. Ізотерма сорбції - це графік, на якому показано зв'язок між активністю води та вмістом вологи при постійній температурі. Для більшості природних речовин неможливо отримати відтворену ізотерму сорбції та активність води повинна розглядатися окремо від вмісту вологи.

Визначення активності води в молочних продуктах

за матеріалами сайту ВНИМИ
Термін "активність води" (англ. "Water activity" - Aw) вперше був введений Скоттом в 1952 р, який довів, що існує залежність між станом води в продукті та зростанням мікроорганізмів в ньому.
З цього часу Aw стала найважливішим параметром в консервовій промисловості.
Саме визначення активності розглядається як відношення фугітивності f (летючості) речовини в деякому стані до його фугітивності fs в будь-якому стані, прийнятому за стандартне.
Через те, що ми розглядаємо водні харчові середовища, то під фугітивністю речовини розуміється деяка величина парціального тиску пари над продуктом.
Якщо за стандартний стан прийняти тиск пари над чистим розчинником (дистильована вода) відношення для Aw набуде вигляду:
Аw = f / fs = p / ps, (1)
де: p - парціальний тиск водяної пари над поверхнею продукту;
рs - тиск насиченої пари над чистою водою при температурі продукту.
Через те, що величина Aw має термодинамічний характер, тобто характеризує рівноважний тиск парів води при певній температурі, вона може бути визначена як рівноважна відносна вологість поділена на 100.
Аw = Rh / 100, (2)
де: Rh - рівноважна відносна вологість, %
Відношення парціальних тисків парів над продуктом і чистим розчинником входить в основну термодинамічну формулу кількісного визначення енергії зв'язку вологи з матеріалом (по П.А. Ребиндеру).
-*F = L = RT ln p / ps = RT ln Аw (Дж / моль), (3)
де:
*F - зменшення вільної енергії системи;
L - робота відриву 1 моля води від матеріалу (без зміни складу);
R - газова постійна;
Т - абсолютна температура.
На підставі літературних даних в таблиці 1 представлені величини Aw деяких молочних продуктів.

Відомо, що між водою, хімічними сполуками та біологічної структурою харчових продуктів відбуваються взаємодії різного характеру. А саме - вода є дисперсною середовищем для цілого ряду хімічних реакцій і метаболізму мікроорганізмів в продуктах харчування. Величина Aw добре корелює з багатьма з них. Так зниження аw від 1 до 0.2 призводить до значного уповільнення хімічних і ферментативних реакцій, крім процесу окислення ліпідів і реакції Майяра.
У теперішній час вивчені та визначені порогові значення Aw для більшості мікроорганізмів, за межами яких, сповільнюються або припиняються процеси їх росту. Так для більшості бактерій граничне значення Aw, що забезпечують їх нормальний розвиток має бути не нижче 0.90 - 0.99. Дріжджі та багато цвілеві гриби добре розвиваються навіть в межах Aw = 0.85 - 0.65. Зокрема, в молочноконсервному виробництві найбільш небезпечні осмофільні дріжджі, які можуть розвиватися при Aw близькою до 0.70 і бути причиною шлюбу згущених молочних консервів з цукром.
За величиною активності води виділяють наступні види харчових продуктів:
продукти з високою вологістю (Аw = 1.0 - 0.9);
продукти з проміжною вологістю (Аw = 0.9- 0.6);
продукти з низькою вологістю (Аw = 0.6 - 0.0).
Про важливість даного показника говорить й те, що Американський Інститут Технологів-Харчовиків на своєму 50-річному ювілеї, зазначив одним з десяти найбільш значущих нововведень в харчовій промисловості останнього півстоліття - концепцію активності води, яка дозволяє оцінити ступінь схильності сушених продуктів і продуктів з проміжною вологістю мікробіологічної та іншої псування.
Таким чином, контролюючи функціонально-технологічні показники в продукті та, зокрема, показник Aw, можна прогнозувати його здатність до зберігання, що дозволить створити "карти стабільності" молочних продуктів, та визначити оптимальні умови їх зберігання.