Hoạt độ nước, vai trò và ảnh hưởng của nó đến Chất lượng thực phẩm

Từ trước tới nay, chúng ta thường bảo quản thực phẩm bằng những cách như làm khô, ướp đường hoặc ướp muối và đông lạnh để chống lại sự hư hỏng và phát triển của vi sinh vật. Tuy nhiên ít ai biết bản chất của những phương pháp trên đó chính là việc kiểm soát hoạt độ nước của thực phẩm. Vậy Hoạt độ nước là gì và tầm quan trọng của nó như thế nào đối với chất lượng thực phẩm, chúng ta hãy cùng tìm hiểu qua bài viết này nhé!

Hoạt độ nước là gì?

Hoạt độ nước (ký hiệu là a_w) là lượng nước tự do tồn tại trong sản phẩm, được định nghĩa là tỷ lệ giữa áp suất hơi của nước trong vật liệu (p) chia cho áp suất hơi của nước tinh khiết (p_o) ở cùng nhiệt độ. Độ ẩm tương đối của không khí được định nghĩa là tỷ số giữa áp suất hơi của không khí với áp suất hơi bão hòa của nó. Khi đạt trạng thái cân bằng hơi và nhiệt độ, hoạt độ nước của mẫu bằng với độ ẩm tương đối của không khí bao quanh mẫu trong một buồng kín. Nhân hoạt độ nước với 100 sẽ cho độ ẩm tương đối cân bằng (ERH) tính bằng phần trăm.

a_w= p/p₀=ERH(%)/100

a_w không phải là độ ẩm của sản phẩm, vì nước thường tồn tại dưới dạng “nước tự do” hoặc “nước liên kết”. Chỉ có nước tự do mới có thể thoát hơi nước vào không khí và làm tăng áp suất của không khí xung quanh sản phẩm.

a_w là thước đo trạng thái năng lượng của nước trong hệ thống. Có một số yếu tố kiểm soát hoạt độ nước như: hiệu ứng colligative của các chất hòa tan (như muối hoặc đường); hiện tượng mao dẫn trong đó áp suất hơi của nước trên mặt cong của chất lỏng nhỏ hơn áp suất của nước nguyên chất do sự thay đổi liên kết hydro giữa các phân tử nước; và tương tác bề mặt trong đó nước tương tác trực tiếp với các nhóm hóa học trên các thành phần chưa hòa tan (ví dụ như tinh bột và protein). Sự kết hợp của ba yếu tố này trong một sản phẩm thực phẩm làm giảm năng lượng của nước và do đó làm giảm độ ẩm tương đối so với nước tinh khiết.

Ngoài ra, a_w còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ tăng giảm làm thay đổi các liên kết với nước, sự phân ly của nước, độ hòa tan của các chất trong nước, và trạng thái của chất nền làm hoạt độ nước cũng thay đổi. Một số sản phẩm có hoạt độ nước tăng lên khi nhiệt độ tăng, một số sản phẩm khác lại giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi hầu hết các thực phẩm có độ ẩm cao thay đổi không đáng kể theo nhiệt độ. Do đó, người ta không thể dự đoán ngay cả hướng thay đổi của hoạt độ nước theo nhiệt độ, vì nó phụ thuộc vào cách nhiệt độ ảnh hưởng đến các yếu tố kiểm soát hoạt độ của nước trong thực phẩm.

Hoạt độ nước là động lực cho sự di chuyển của nước từ các vùng có hoạt độ nước cao đến các vùng có hoạt độ nước thấp. Ví dụ như sự di chuyển độ ẩm trong thực phẩm có nhiều lớp (ví dụ bánh sandwich kẹp phô mai), sự di chuyển của nước từ đất đến lá cây, sự thẩm thấu tế bào,…

Ảnh hưởng của hoạt độ nước tới thực phẩm

a_w của thực phẩm mô tả trạng thái năng lượng của nước trong thực phẩm, khả năng hoạt động như một dung môi và tham gia vào các phản ứng hóa học/sinh hóa và sự phát triển của vi sinh vật. Đây là một đặc tính quan trọng được sử dụng để dự đoán tính ổn định và an toàn của thực phẩm đối với sự phát triển của vi sinh vật, tốc độ của các phản ứng hư hỏng và các đặc tính hóa học/vật lý.

Sự phát triển của vi khuẩn

Vi sinh vật thường có mức hoạt độ nước giới hạn mà khi ở dưới mức đó chúng sẽ không thể phát triển. Hoạt độ nước thấp nhất mà phần lớn vi khuẩn làm hỏng thực phẩm sẽ phát triển là khoảng 0,90. Staphylococcus aureus trong điều kiện kỵ khí bị ức chế ở mức a_w là 0.91, nhưng trong môi trường hiếu khí thì mức đó là 0.86. Giới hạn cho sự phát triển của nấm mốc và nấm men là khoảng 0.61.

Bảng 1: Hoạt độ nước giới hạn a_w của một số vi sinh vật trong thực phẩm

Phản ứng hóa học và hóa sinh

Hoạt độ nước không chỉ tác động đến sự phát triển của vi khuẩn mà còn ảnh hưởng đến các phản ứng hóa học và hóa sinh của chính thực phẩm. Nước tự do tham gia vào rất nhiều những phản ứng với vai trò là một dung môi, là một chất phản ứng hoặc thay đổi mức độ linh động của chất phản ứng bằng cách làm thay đổi độ nhớt của cả hệ thống. Hoạt độ nước ảnh hưởng đến quá trình hóa nâu không enzyme, quá trình oxy hóa lipid, sự phân hủy của vitamin, hoạt động của enzyme, sự phân hủy protein và tinh bột.

Tính chất vật lý của sản phẩm

Ngoài những tác động trên, hoạt độ nước còn ảnh hưởng đến các đặc tính về kết cấu của thực phẩm. Thực phẩm có a_w cao có kết cấu ẩm, căng mọng, mềm và dai. Khi hoạt độ nước của các sản phẩm này bị giảm xuống, các thuộc tính kết cấu như độ cứng, độ khô, độ cũ và độ dẻo dai tăng lên. Thực phẩm có độ a_w thấp được mô tả là cứng và giòn, khi ở độ a_w cao hơn, kết cấu chuyển thành nhão, mềm và ẩm nước. Ngoài ra, hoạt động của nước còn ảnh hưởng đến độ chảy và đóng cục của khối bột và hạt.

Ứng dụng của hoạt độ nước

Các thông số của hoạt độ nước đã được thêm vào các quy định của FDA và USDA, các yêu cầu của GMP và HACCP, và gần đây nhất là trong Tiêu chuẩn Dự thảo Quốc tế NSF 75. Trong đó quy định rằng “thực phẩm tiềm ẩn nguy cơ”  không bao gồm những loại có a_w dưới 0.85, độ pH dưới 4.6, thực phẩm đựng trong bao bì kín chưa mở nắp, thực phẩm duy trì được tình trạng vô trùng thương mại trong điều kiện bảo quản và phân phối không làm lạnh.

Ví dụ, mức a_w 0.85 thường là điểm mốc xác định đối với thực phẩm đóng hộp có hàm lượng acid thấp. Thực phẩm đóng hộp nếu có pH thấp có thể được bảo quản bằng cách kiểm soát hoạt độ nước ở mức trên 0.85, vì mức aw tối thiểu cho sự phát triển của C. botulinum là khoảng 0,93. Bên cạnh đó, có thể kết hợp xử lý nhiệt để loại bỏ những vi sinh vật chịu được a_w thấp hoặc bào tử. Một số ví dụ về thực phẩm đóng hộp hàm lượng acid thấp có a_w trên 0.85 bao gồm bánh mì, bánh đóng hộp, tương ớt, sốt, rau quả muối chua, cá muối, syrup, topping, pudding và một số loại xốt.

Đối với các loại bánh thường có a_w dao động từ 0.65 – 0.9, có công thức để xác định thời hạn sử dụng của chúng một cách nhanh chóng và không tốn kém dựa trên hoạt độ nước là:

HSD (ở 21°C) = 10^7.91-8.1xa_w

HSD (ở 27°C) = 10^6.42-6.5xa_w

Tóm lại, hoạt độ nước là một chỉ số quan trọng của thực phẩm. Nó giúp chúng ta dự đoán về sự phát triển của vi sinh vật, mức độ mà các phản ứng xảy ra trong thực phẩm, thông tin về kết cấu và tính chất vật lý của sản phẩm. Vì thế, a_w là một điểm kiểm soát quan trọng cần được chú ý nhiều hơn đối với những nhà sản xuất thực phẩm.

Tài liệu tham khảo
[1] Anthony J. F. “Water Activity’s Role in Food Safety and Quality,” Presented at Second NSF International Conference on Food Safety. October 2000. Savannah, GA.
[2] “Water Activity (aw) in Foods,” Dept. of Health, Education, and Welfare Public Health Service Food and Drug Administration. 2014.
[3] Mullan M. “Predicting the mould free shelf life of cakes,” Dairy Science Food Technology. 2015.

Trúc Quyên RD VNO