Активность воды ( aw ) представляет собой парциальное давление пара воды в растворе, деленное на парциальное давление пара воды в стандартном состоянии . В области пищевой науки стандартное состояние чаще всего определяется как чистая вода при той же температуре . Используя это конкретное определение, чистая дистиллированная вода имеет активность воды ровно единицу. Активность воды — это термодинамическая активность воды как растворителя и относительная влажность окружающего воздуха после уравновешивания. С повышением температуры a w обычно увеличивается, за исключением некоторых продуктов с кристаллической солью или сахаром .
Вода мигрирует из областей с высоким aw в районы с низким aw . Например, если мед ( a w ≈ 0,6) подвергается воздействию влажного воздуха ( a w ≈ 0,7), мед поглощает воду из воздуха . Если салями ( a w ≈ 0,87) подвергается воздействию сухого воздуха ( a w ≈ 0,5), салями высыхает , что может сохранить или испортить ее. Вещества с более низким содержанием aw имеют тенденцию поддерживать меньшее количество микроорганизмов , поскольку они высыхают в результате миграции воды.
Определение w
Альтернативное определение может быть
Связь с относительной влажностью : Относительная влажность (RH) воздуха, находящегося в равновесии с образцом, также называется равновесной относительной влажностью (ERH) и обычно выражается в процентах. [1] Она равна активности воды по
Активность воды является важной характеристикой для дизайна пищевых продуктов и их безопасности. [ нужна цитата ]
Дизайнеры продуктов питания используют активность воды для создания продуктов длительного хранения . Если активность воды в продукте поддерживается ниже определенного уровня, рост плесени подавляется. Это приводит к увеличению срока хранения . [ нужна цитата ]
Значения активности воды также могут помочь ограничить миграцию влаги внутри пищевого продукта, приготовленного из различных ингредиентов . Если изюм с более высокой активностью воды упаковать в хлопья отрубей с более низкой активностью воды, то вода из изюма со временем мигрирует в хлопья отрубей, делая изюм твердым, а хлопья отрубей - сырыми. Разработчики пищевых продуктов используют активность воды, чтобы предсказать, насколько миграция влаги повлияет на их продукт. [ нужна цитата ]
Активность воды во многих случаях используется в качестве критической контрольной точки для программ анализа рисков и критических контрольных точек (HACCP). Образцы пищевых продуктов периодически отбираются из производственной зоны и проверяются на предмет соответствия значений активности воды установленному диапазону качества и безопасности пищевых продуктов. Измерения можно провести всего за пять минут, и они проводятся регулярно на большинстве крупных предприятий по производству продуктов питания. [ нужна цитата ]
В течение многих лет исследователи пытались приравнять потенциал роста бактерий к содержанию воды . Они обнаружили, что значения не универсальны, а специфичны для каждого пищевого продукта. В. Дж. Скотт впервые установил, что рост бактерий коррелирует с активностью воды, а не с содержанием воды, в 1953 году. Твердо установлено, что рост бактерий подавляется при определенных значениях активности воды. Правила Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для продуктов средней влажности основаны на этих значениях.
Снижение активности воды в пищевом продукте не следует рассматривать как этап уничтожения. Исследования сухого молока показывают, что жизнеспособные клетки могут существовать при гораздо более низких значениях активности воды, но они никогда не растут. [ нужна цитата ] Со временем уровень бактерий снижается.
Значения активности воды получаются с помощью резистивного электролитического, емкостного или гигрометра точки росы .
В резистивных электролитических гигрометрах используется чувствительный элемент в виде жидкого электролита, удерживаемого между двумя небольшими стеклянными стержнями под действием капиллярной силы. Электролит меняет сопротивление, если он поглощает или теряет водяной пар. Сопротивление прямо пропорционально относительной влажности воздуха и, следовательно, активности воды в образце (после установления парожидкостного равновесия ). Эту связь можно проверить путем поверки или калибровки с использованием насыщенных смесей соленой воды, которые обеспечивают четко определенную и воспроизводимую влажность воздуха в измерительной камере. [ нужна цитата ]
Датчик не имеет физически заданного гистерезиса, как это известно из емкостных гигрометров и датчиков, и не требует регулярной очистки, поскольку его поверхность не является эффективным чувствительным элементом. Летучие вещества, в принципе, влияют на качество измерения, особенно те, которые диссоциируют в электролите и тем самым изменяют его сопротивление. Такого влияния можно легко избежать, используя фильтры химической защиты, которые поглощают летучие соединения до того, как они попадут на датчик. [ нужна цитата ]
Емкостные гигрометры состоят из двух заряженных пластин, разделенных полимерной мембраной- диэлектриком . По мере того как мембрана адсорбирует воду, ее способность удерживать заряд увеличивается, и измеряется емкость. Это значение примерно пропорционально активности воды, определяемой калибровкой конкретного датчика . [ нужна цитата ]
Емкостные гигрометры не подвержены влиянию большинства летучих химикатов и могут быть намного меньше, чем другие альтернативные датчики. Они не требуют очистки, но менее точны, чем гигрометры точки росы (+/- 0,015 a w ). Они должны регулярно проверяться на калибровку и могут подвергаться воздействию остаточной воды в полимерной мембране (гистерезис).
Температура, при которой на чистой поверхности образуется роса , напрямую связана с давлением паров воздуха. Гигрометры точки росы работают, помещая зеркало над закрытой камерой для проб. Зеркало охлаждается до тех пор, пока с помощью оптического датчика не будет измерена температура точки росы . Эта температура затем используется для определения относительной влажности камеры с помощью психрометрических диаграмм.
Этот метод теоретически является наиболее точным (+/- 0,003 a w ) и зачастую самым быстрым. Датчик требует очистки, если на зеркале скапливается мусор.
При любом методе в камере для образца должно быть установлено равновесие пар-жидкость . Это происходит со временем или этому может способствовать добавление вентилятора в камеру. Тепловое равновесие также должно быть достигнуто, если только не измеряется температура образца. [ нужна цитата ]
Активность воды связана с содержанием воды нелинейной зависимостью, известной как кривая изотермы сорбции влаги . Эти изотермы зависят от вещества и температуры. Изотермы можно использовать для прогнозирования стабильности продукта с течением времени в различных условиях хранения. [ нужна цитата ]
Существует чистое испарение из раствора, активность воды которого превышает относительную влажность окружающей среды. Существует чистое поглощение воды раствором, активность воды которого меньше относительной влажности окружающей среды. Поэтому в закрытых помещениях для регулирования влажности можно использовать водный раствор. [3]
Вода необходима для жизни во всех ее формах, известных в настоящее время на Земле . Без воды микробная деятельность невозможна. Даже если некоторые микроорганизмы можно сохранить в сухом состоянии (например, после лиофилизации ), их рост невозможен без воды. [ нужна цитата ]
Микроорганизмам также требуется достаточно места для развития. В сильно уплотненных бентонитовых и глубоких глинистых образованиях микробная активность ограничена из-за нехватки места, а транспорт питательных веществ к бактериям , а выведение токсинов , образующихся в результате их метаболизма , контролируется диффузией в поровой воде. Итак, «ограничения пространства и воды» являются двумя лимитирующими факторами микробной активности в глубоких отложениях. [11] Ранний биотический диагенез отложений чуть ниже дна океана , вызванный микробной активностью (например, сульфатредуцирующими бактериями ), заканчивается тогда, когда степень уплотнения становится слишком важной, чтобы обеспечить развитие микробной жизни. [12]
На поверхности планет и в их атмосфере космические ограничения не действуют, поэтому конечным ограничивающим фактором является наличие воды и, следовательно, активность воды. [ нужна цитата ]
Большинству экстремофильных микроорганизмов для активности требуется достаточное количество воды. Порог активности воды для их развития составляет около 0,6. То же правило должно применяться и к другим планетам, кроме Земли. После дразнящего обнаружения фосфина (PH 3 ) в атмосфере Венеры , в отсутствие известного и правдоподобного химического механизма, объясняющего образование этой молекулы, было заподозрено присутствие микроорганизмов во взвешенном состоянии в атмосфере Венеры, и была выдвинута гипотеза. Механизм микробного образования фосфина был сформулирован Greaves et al. (2020) из Кардиффского университета, предполагающие возможность существования пригодного для жизни окна в венерианских облаках на определенной высоте с приемлемым диапазоном температур для микробной жизни. [13]
Холлсворт и др. (2021) из Школы биологических наук Королевского университета в Белфасте изучили условия, необходимые для поддержания жизни экстремофильных микроорганизмов в облаках на большой высоте в атмосфере Венеры, где могут преобладать благоприятные температурные условия. Помимо присутствия серной кислоты в облаках, которая уже представляет собой серьезную проблему для выживания большинства микроорганизмов, они пришли к выводу, что атмосфера Венеры слишком сухая для существования микробной жизни. Действительно, Холлсворт и др. (2021) определили активность воды ≤ 0,004, что на два порядка ниже предела 0,585 для известных экстремофилов. [14] Так, при активности воды в облаках Венеры в 100 раз ниже порога 0,6, известного в земных условиях, гипотеза, предусмотренная Гривзом и др. (2020) для объяснения биотического происхождения фосфина в атмосфере Венеры исключено. [ нужна цитата ]
Прямые измерения атмосферы Венеры с помощью пространственных зондов указывают на очень суровые условия, которые, вероятно, делают Венеру непригодным для жизни миром даже для самых экстремальных форм жизни, известных на Земле. Чрезвычайно низкая активность воды в высушенной венерианской атмосфере представляет собой очень ограничивающий фактор для жизни, гораздо более суровый, чем адские условия температуры и давления или присутствие серной кислоты.
В настоящее время астробиологи считают, что более благоприятные условия могли бы возникнуть в облаках Юпитера , где в атмосфере могла бы преобладать достаточная активность воды при условии, что в той же среде соблюдаются и другие условия, необходимые для жизни (достаточное снабжение питательными веществами и энергией в ненасыщенном воздухе). токсичная среда). [15] [16]
