Вода, содержащаяся в кулинарной продукции в значительных количествах, не только участвует в формировании ее качества (структурномеханических, физико-химических, органолептических свойств), но, взаимодействуя с белками и углеводами, делает эту продукцию нестойкой при хранении, создавая хорошую питательную среду для развития
микроорганизмов.

Показатели, которые формируют качество продукции и ее стабильность в процессе хранения, в значительной степени зависят от того, насколько прочно вода в продукции связана с пищевыми веществами (белками, углеводами, жирами).

Вода может находиться в продукции в связанном и свободном состояниях.

Связанная вода — это ассоциированная вода, которая прочно связана с различными компонентами (белками, углеводами, жирами) за счет химических и физических связей.

Свободная вода — это вода, не связанная полимерами и доступная для протекания химических, биохимических и микробиологических процессов.

Чем больше в продукции свободной воды, тем менее стойка она в хранении.

Согласно принятой классификации, в основу которой положена энергия связи воды с материалом, в коллоидных капиллярно-пористых телах (влажных материалах) различают следующие формы связи воды с материалом: химическую, физико-химическую и физико-механическую.

Химически связанная — это вода, наиболее прочно связанная материалом, которая может быть удалена из него при химическом взаимодействии или при особо интенсивной тепловой обработке (прокаливание), но при сушке она не удаляется.

Она обладает наибольшей энергией связи.

Например, в виде гидроксильных ионов за счет главных валентностей.

В этом случае молекула воды исчезает как таковая.

Она не оказывает влияния на ход течения технологических процессов.

Физико-химически связанная — это вода, которая удерживается в материалах в различных, не строго определенных соотношениях.

Этой форме соответствуют следующие виды связи воды: адсорбционно связанная
вода и осмотически удерживаемая вода (вода набухания и структурная вода).

Адсорбционно связанная вода — это жидкость, удерживаемая силовым полем на внешней и внутренней поверхности мицелл — коллоидных частиц с сольватным слоем, а иногда и с двойным слоем ионов, строение которого определяет заряд мицелл.

Адсорбционно связанная вода прочно связана с материалом, ее иногда называют связанной влагой.

Поскольку коллоидные тела (материалы) характеризуются большой дисперсностью частиц (условный диаметр составляет 0,1...0,001 мкм), они обладают значительной свободной энергией, благодаря которой происходит адсорбционное связывание воды.

При поглощении воды коллоидным телом выделяется теплота набухания (гидратация), наибольшее количество которой выделяется при присоединении первого мономолекулярного слоя.

Это слой воды наиболее прочно связан с материалом.

Вода в этом слое находится в особом уплотненном состоянии, она не растворяет обычно растворимые вещества (соль, сахар), она замерзает при более низкой температуре, у нее меньше диэлектрическая проницаемость, чем у свободной воды.

Последующие слои, а их может быть несколько десятков, удерживаются менее прочно,
чем мономолекулярный слой, и прочность связи уменьшается с удалением слоев от гидрофильного центра.

Эти слои образуют сольватную оболочку белковых молекул белковых веществ и гидрофильных гидроколлоидов.

В последних слоях молекулы воды могут переходить из наружного слоя в гидратный и наоборот, образуя так называемый диффузионный слой, удержать значительную часть которого можно за счет изменения активной кислотности, а также температуры.

Таким образом, процесс гидратации — это процесс присоединения адсорбционной воды.

Осмотически удержанная вода (вода набухания и структурная вода) — это вода, находящаяся в замкнутых ячейках, как поглощенная осмотически сложно построенной мицеллой, так и иммобилизационная — структурная вода, захваченная при формировании геля (застывании).

Эта вода является свободной из-за малой энергии связи, но для, например, биополимеров, ее величина может быть существенной и ее следует учитывать.

Поглощение влаги набухания происходит без выделения тепла и сжатия системы. Осмотически связанная вода диффундирует в виде жидкости через стенки клеток благодаря разности концентрации внутри и вне клеток.

Под влиянием диффузионно-осмотических сил вода проникает внутрь клетки по типу избирательной диффузии (осмоса) жидкости через полупроницаемую стенку клетки.

Осмотически связанная вода по своим свойствам не отличается от обычной воды.

Физико-механическая связанная вода — это вода макро- и микрокапилляров.

Радиус микрокапилляров — менее 10-5 см, а макрокапилляров— больше Ю-5 см.

Вода заполняет сквозные макрокапилляры только при непосредственном соприкосновении с ними, тогда как микрокапилляры заполняются жидкостью не только при непосредственном соприкосновении с ней, но и путем сорбции из влажного воздуха.

Капиллярная вода представляет собой свободную жидкость, которая перемещается в материале как в жидком виде (от центральных елоев до зоны испарения), так и в виде пара — от зоны испарения через сухой слой наружу.

В продуктах с высокой влажностью (73...95 %), например в овощах и плодах, до 95 % от общего количества воды составляет свободная вода и только до 5 % удерживается клеточными коллоидами.

В то же время в мясных полуфабрикатах (влажность 62...75 %) на долю связанной воды (адсорбционно, осмотически, капиллярно) приходится около 80...85 % от общего содержания воды в продукте.

В растительных и животных тканях, а также в пищевых дисперсиях (гели, пены и др.) вода иммобилизуется таким образом, что выделение жидкости предотвращается или затормаживается.

Иммобилизация воды в пищевых системах обусловлена физическим состоянием воды
внутри растворимой основы, представляющей собой биополимеры и биоагрегаты.

Иммобилизованную воду можно разделить на воду, прочно связанную в растворенными веществами, воду, удерживаемую в микрокапиллярах, и воду, удерживаемую в макрокапиллярах (например, вакуолях растительных клеток).

Любое изменение внешних условий (давления, температуры, pH и др.) может приводить к изменению структуры растворенной основы и к образованию жидкости или вызвать разжижение пищевой системы.

Желатиновый гель (студень, желе, мусс и др.) при повышении температуры (выше 25 °С) превращается в жидкий золь.

Вода неравномерно распределена в растительных и животных тканях.

Ее распределение зависит от наличия и гидрофильной природы макромолекулярных сетчатых структур, таких как мембраны, оболочки клеток, органеллы, сосудистые трубки.

В клетках паренхимной ткани растений большое количество воды (до 98 %) сосредоточено в клеточных вакуолях, тогда как в оболочке ее значительно меньше (50 % и более).

Влияние замораживания на качество продуктов питания.

В условиях современного общества путь продуктов питания (сырья, полуфабрикатов,
готовых изделий и блюд) до потребителя обусловливает настоятельную необходимость их кратковременного или длительного хранения, которое может быть обеспечено различными способами консервирования продукции.

Консервирование (за исключением пастеризации и стерилизации) в широком смысле означает обеспечение в продуктах питания недоступности воды для ферментов и микроорганизмов, так как их существование зависит от наличия воды.

Этого можно добиться удалением воды сушкой продуктов или ее замораживанием.

Наиболее распространенным и доступным способом является замораживание.

Фазовое превращение воды в твердое состояние (кристаллообразование) является
основным физическим явлением при замораживании.

Замораживание обеспечивает длительное низкотемпературное хранение продуктов (кулинарной продукции) за счет предотвращения развития микроорганизмов и существенного снижения скорости ферментативных и физико-химических реакций.

При понижении температуры ниже 0 °С молекулы воды начинают кристаллизоваться, связывая четыре других молекулы воды в тетраэдрическую конфигурацию.

Образующийся лед имеет гексагональную кристаллическую решетку.

В растительных и животных тканях вода в значительной своей части представляет собой жидкость, в которой в растворенном состоянии находятся органические и неорганические вещества в небольших концентрациях, т. е. тканевая жидкость является разбавленным раствором названных веществ.

Поэтому вода в биологических объектах начинает замерзать при температурах ниже 0 °С.

Температура начала кристаллизации называется криоскопической температурой.

В продуктах растительного происхождения замораживание обычно происходит в интервале температур между минус 0,5 и минус 3,5 °С, а в животных тканях — около минус 1 °С.

В разбавленных растворах вначале происходит вымерзание или кристаллизация чистого растворителя, т. е. чистой воды.

С увеличением количества замерзшей воды количество растворенных веществ
в тканевой жидкости повышается.

Однако в реальных условиях замораживания, например при минус 30 °С от 6 до 12 % воды находится в жидком состоянии.

Более низкая концентрация растворенных веществ в межклеточном пространстве обусловливает разницу в значениях криоскопических температур структурных элементов.

По этой причине кристаллы льда в первую очередь формируются в межклеточной жидкости.

Этот процесс сопровождается повышением осмотического давления за счет роста концентрации растворенных в жидкости солей, что, в свою очередь, способствует переходу воды из клеток в межклеточное пространство.

Переход жидкой воды в твердое состояние (лед) с образованием кристаллов имеет далеко идущие последствия, связанные с качественными изменениями в замороженных
пищевых продуктах, особенно при очень низких температурах.

При медленном замораживании с образованием крупных кристаллов вне клеток происходит изменение первоначального соотношения объемов межклеточного и внутриклеточного пространства за счет перераспределения воды и фазового перехода воды.

Быстрое замораживание тормозит диффузионное перераспределение воды и растворенных веществ, что приводит к образованию мелких и равномерно
распределенных кристаллов льда в пищевом продукте.

Поскольку максимальное кристаллообразование происходит в интервале температур
от минус 2 до минус 8 °С, для того чтобы предотвратить образование крупных кристаллов, необходимо быстрое понижение температуры в указанном интервале.

На количество, размеры и равномерность распределения в тканях кристаллов льда оказывает существенное влияние скорость замораживания.

От размеров кристаллов льда зависит степень сохранения целостности структуры тканей, а от равномерности их распределения в тканях зависят быстрота и степень восстановления начального состояния тканей при размораживании.

В настоящее время сформировалось представление, что наибольшие структурные повреждения имеют место при медленном замораживании вследствие образования крупных кристаллов льда.

Однако в научной литературе имеются сведения, что значительные повреждения
отмечаются и при сверхбыстром замораживании (в жидком азоте) животных и растительных тканей, которые проявляются в разрушении поверхностных слоев продукта.

Интенсивность и характер изменений продуктов при замораживании зависят как от условий и режимных параметров процесса, так и в значительной степени от их исходных качественных характеристик.

Специфика состава и строения пищевых систем, особенности и взаимосвязь протекания в них физико-химических и биохимических реакций оказывают существенное, а в некоторых случаях и определяющее влияние на степень сохранения их свойств при замораживании.

Исследованиями установлено, что время прохождения продукта через зону замораживания не должно превышать 30 минут, чтобы разрушение структуры, последствия ферментативных и неферментативных реакций и микробиальный рост были минимальными.

Показано также, что применительно к продуктам, для которых характерно низкое качество при замораживании традиционными методами, хорошие результаты дает сверхбыстрое замораживание.

Хорошие результаты получены посредством криогенного замораживания нарезанных томатов, огурцов, дыни, персиков, грибов, хлебобулочных изделий, креветок, камбалы и угря.

Однако применение высоких скоростей замораживания для продуктов животного происхождения не всегда приносит желаемый эффект.

Замораживание и хранение в замороженном состоянии длительное время вызывает денатурацию мышечных белков мяса и особенно рыбы (главным образом миофибриллярных белков), что связано с повреждающим действием повышенных концентраций солей в жидкой фазе и обусловлено ослаблением водородных связей, определяющих исходное строение макромолекул.

Повреждающее действие замораживания зависит в значительной мере от гидратации белков к моменту замораживания, например, мяса.

Повышенная гидратация мышечных белков мяса с высоким значением pH снижает возможность денатурации белков и их агрегирование.

Нарушение структуры тканей в процессе замораживания и хранения негативным образом сказывается на способности структурных компонентов пищевых продуктов удерживать воду при размораживании и снижает качество размороженных продуктов.

Многолетней практикой доказано, что традиционные способы быстрого замораживания могут обеспечить высокое качество мяса (говядины, свинины, баранины).

Быстрое замораживание продуктов, подвергнутых тепловой обработке, в большинстве случаев является достаточной гарантией высокого качества.

Если в состав продукта входит соус или другие дополнительные ингредиенты, то рекомендуется очень быстрое замораживание для предохранения распада эмульсий.

Влияние на микроорганизмы.

Установленным является факт, что замораживание снижает активность микробиальных процессов, но говорить об их полном уничтожении нет оснований.

Выявлено, что устойчивость микроорганизмов к замораживанию обусловлена их видом и
родом, стадией развития, скоростью и температурой замораживания.

С понижением температуры до минус 30 °С гибель многих микроорганизмов увеличивается с повышением температуры, особенно в интервале температур от минус 4 до минус 6 °С.

В то же время некоторые психрофильные микроорганизмы при указанных температурах не отмирают.

Для них необходимы более низкие температуры.

Полностью исключается рост микроорганизмов, в том числе и психрофильных, при температурах минус 10...минус 12 °С.

В этих условиях хранения пищевые продукты не подвергаются микробиальной порче.

Имеются сведения, что в среднем в пищевых продуктах после замораживания выживает 0...50 % микроорганизмов.

В большей степени инактивируются грамотрицательные бактерии, чем грамположительные.

Очень чувствительны к замораживанию энтерококки.

Исследователи обращают внимание на то, что в производстве замороженных пищевых продуктов и особенно замороженных блюд, прошедших предварительную тепловую обработку и требующих лишь подогрева перед употреблением, необходимо строго соблюдать санитарные нормы и правила.

Принимая во внимание, что при замораживании и хранении остается часть жизнеспособной микрофлоры, а ферменты погибших микроорганизмов длительное время сохраняют свою активность, при размораживании продуктов будут развиваться процессы, приводящие к ухудшению их качества.

Поэтому необходимо не только строго соблюдать требования к санитарно-гигиеническим режимам обработки поступающего на замораживание продуктов, но и в неменьшей степени контролировать санитарно-гигиенические условия при размораживании
продуктов, чтобы микробиологические процессы свести к минимуму.

Размораживание.

Как указывалось выше, процесс размораживания при одинаковых температурных перепадах протекает значительно медленнее замораживания.

Это приводит к тому, что продукт во время размораживания значительно дольше находится в температурном диапазоне около точки замерзания, а это неблагоприятно отражается на
его качестве. 

В зависимости от качества исходного сырья в настоящее время применяют различные способы размораживания: на воздухе, в воде, под вакуумом, высокочастотное или их комбинации.

Большинство исследователей пришли к заключению, что нельзя добиться существенного улучшения качества после размораживания, если скорость замораживания превышала обычно принятые в промышленности.

В общем, можно сделать заключение, что правильно осуществленное замораживание и последующее размораживание многих продуктов питания обеспечивают сохранение их качества и характеристик свежих продуктов в наибольшей мере по сравнению с другими способами консервирования.

Активность воды.

Состояние воды в продуктах питания оказывает существенное влияние на течение химических, биохимических и микробиологических процессов, от которых в определенной степени зависит доброкачественность продуктов.

Хотя общее содержание воды в продуктах питания может служить косвенным показателем их сохранности, тем не менее, имеются научно доказанные данные о том, что продукты с одинаковой влажностью ведут себя по-разному при хранении.

Изучение состояния воды в таких продуктах показало, что при этом имеет значение, насколько вода ассоциирована с неводными компонентами.

Продукты, в которых вода более прочно связана, лучше хранятся, т. е. медленнее портятся, так как такая вода тормозит развитие микроорганизмов и ход течения гидролитических реакций.

Для того чтобы качественно характеризовать прочность связи воды с продуктом (материалом), был введен термин «активность воды», который определяется как отношение парциального давления паров воды над продуктом к давлению паров над чистой водой при той же температуре.

При смешении и составлении рецептур пищевых композиций необходимо знать изотерму сорбции каждого компонента, чтобы можно было спрогнозировать нежелательный перенос воды от одного ингредиента к другому, что может привести к быстрой порче конечного продукта.

Упаковка — возможно, самая важная область практического использования изотерм сорбции.

Для того чтобы определить сроки годности продукта при минимальных затратах в предполагаемых условиях хранения, кроме площади поверхности и проницаемости упаковочного материала необходимо знать наклон изотермы, исходное и максимально
допустимое содержание воды и ее активность.

Активность воды влияет на рост и развитие микроорганизмов, течение биохимических и химических реакций и другие процессы, протекающие в пищевых продуктах и кулинарной продукции.

Состояние воды, ее активность имеют большое значение для стабильности продуктов питания, включая и кулинарную продукцию.

Поскольку последняя является хорошей питательной средой для развития микроорганизмов из-за ее высокой влажности, необходимо знать, как влияет активность воды на развитие микрофлоры.

Проведенными исследованиями установлены минимальные значения активности воды, при которых рост микроорганизмов прекращается: 
для грибов (плесеней) — ниже 0,6;
дрожжей — ниже 0,7;
бактерий — ниже 0,8.

Для предупреждения микробиальной порчи и ряда нежелательных химических реакций активность воды снижают, используя такие технологические приемы как, сушка, вяление, замораживание, добавление различных веществ (сахара, соли и др.).

Также выявлено, что с уменьшением активности воды замедляются ферментативные процессы, неферментативное потемнение (реакция Майяра), потери водорастворимых
веществ, гидролитические процессы.

Для каждого из названных процессов имеются минимальные значения активности
воды, при которых они практически прекращаются.

Эти значения находятся в пределах aw = 0,2...0,3.

О значимости показателя активности воды свидетельствует тот факт, что он включен в систему стандартов ISO 9000.

В странах Европейского союза его обязаны определять при экспертизе некоторых
продуктов, а в США этот показатель включен в инструкцию по контролю качества пищевых продуктов.

К сожалению, показателю активности воды и его влиянию на качество продукции общественного питания у нас в стране пока еще уделяется недостаточное внимание.

Имеющиеся отдельные отрывочные сведения не позволяют составить четкое научно обоснованное представление о взаимосвязи этого показателя со сроками годности широкого ассортимента кулинарной продукции, мучных кондитерских и булочных изделий.