Измерение относительной влажности и активности воды

Единицы измерения влажности 

Погрешность расчета точки росы для гигрометров 

Современные микропроцессорные гигрометры используют результаты определения относительной влажности и температуры для расчета других параметров, таких как точка росы, соотношение смеси, энтальпия и т.д. Данные преобразования имеют определенную погрешность, величина которой зависит от влажности и температуры. Типичные кривые погрешностей для расчета точки росы приведены в следующей диаграмме:

Точность расчета точки росы с использованием гигрометров меньше той, что обычно можно достичь с применением приборов, работающих на принципе охлажденного зеркала. Это особенно верно для низких значений точки росы (более чем –40…-50°C) и для низких температур. В большинстве приложений, воспроизводимость показаний важнее их правильности. Воспроизводимость расчета точки росы обычно составляет 1/3 от указанной погрешности выше.

Использование расчетной точки росы позволяет производить измерения в условиях, когда не применяются приборы с охлаждаемым зеркалом. Обычно измерительная часть приборов с охлаждаемым зеркалом ограничена в условиях эксплуатации температурами до 70 °C. В дополнение к возможностям работать при высоких температурах, датчики относительной влажности обладают рядом значительных преимуществ для промышленных применений: меньше требований к обслуживанию, большая устойчивость к загрязнениям, отсутствие системы пробоотбора, отсутствие проблем с идентификацией росы и инея, и лучший отзыв для быстро меняющихся обстоятельств.

Измерение активности воды 

Активность воды: определение и области применения

Определение

Вода – составная часть всех продуктов питания. Технологические свойства, интегральный показатель качества и сроки хранения пищевых продуктов во многом определяется свойствами содержащейся в них воды.
WJScott предложил использовать показатель "активность воды", который определяется как отношение парциального давления водяного пара над продуктом к парциальному давлению водяного пара над чистой водой при данной температуре. На основании целого ряда исследований установлено, что показатель "активность воды" отражает степень активного участия воды в различных процессах, происходящих в пищевом продукте. Сейчас экспериментальные данные позволяют заключить, что уровень активности воды влияет на интенсивность протекающих в продукте таких реакций, как окисление липидов, создание меланоидов, активность ферментативных, микробиологических и других процессов.
Учитывая важность и большую информационность показателя активности воды, в странах Объединенной Европы его определение, наряду с показателями "влажность" и "концентрация водородных ионов", обязательно при экспертизе ряда продуктов, а в США определение активности воды включено в инструкцию по контролю качества пищевых продуктов, а также лекарственных средств и препаратов.
В большинстве случаев активность воды является функцией содержания влаги, химического состава, структуры, фазового состояния и температуры продукта. Для жидких сред стандартное состояние принимается чистый растворитель.
Содержание влаги в продукте может быть определено как массовый процент воды по отношению к массе сухого продукта.
Продукты, в которых может содержаться влага, могут быть поделены на две категории: гигроскопические и негигроскопические. К гигроскопическим материалам относятся соли, растительные волокна, большинство окислов металлов, множество полимеров и т.д. Типичными представителями негигроскопических материалов есть порошки металлов, стеклянные гранулы и т.д.
Относительно содержания влаги в продукте мы определили статическое равновесие как соединение условий, при котором продукт больше не обменивается влагой с окружающим воздухом. В условиях статического равновесия содержание влаги гигроскопического продукта зависит от природы продукта и следующих двух факторов:
(a) парциального давления паров воды непосредственно в окружении продукта
(b) температуры продукта
Если содержание влаги в продукте не зависит от двух факторов, то продукт не гигроскопичен.
Гигроскопические продукты могут поглощать влагу разными способами: сорбция с образованием гидрата, удерживаемого методом поверхностной энергии, диффузия молекул воды в структуру материала, капиллярная конденсация, образование растворов и т.Д. В зависимости от типа абсорбционного процесса вода может более или менее прочно удерживаться продуктом. Влага, содержащаяся в продукте, может включать как иммобилизованную часть (например, воду в виде гидратов), так и активную (не связанную химически) часть.
Активность воды Aw (или равновесная относительная влажность % ERH) измеряет давление паров, генерируемое влагой, присутствующее в гигроскопичности продукта.
Aw = p/ps и %ERH = 100 x Aw, где:
p : парциальное давление паров воды над поверхностью продукта
s: давление насыщения, или парциальное давление паров над чистой водой при температуре продукта
Активность воды отражает активную часть содержащейся влаги, или часть которой продукт при нормальных условиях может обмениваться с окружающей средой.
Активность воды обычно определяется в условиях статического равновесия. При этих условиях парциальное давление паров воды (p) у поверхности продукта равно парциальному давлению водяного пара в окружающей среде продукта. Любой обмен влагой между продуктом и окружающей средой определяется разницей между этими двумя давлениями.
Пары воды могут также присутствовать в газах или в газовых смесях. Относительная влажность газа определяется как
%RH = 100 xp/ps, где
p – парциальное давление паров воды, присутствующих в газовой смеси
ps – давление насыщения, или парциальное давление паров над чистой водой при температуре газа

Активность воды (Aw) и температура

Как активность воды (материалы), так и относительная влажность (газы) соотносятся к давлению насыщения (ps) или парциальному давлению пара над чистой водой:
Aw = p/ps
%RH = 100 xp/ps
Давление насыщенных паров сильно сильно зависит от температуры. При обычной комнатной температуре (ps) увеличивается примерно на 6.2% с каждым увеличением температуры на 1°C. В условиях открытого пространства ненасыщенного парами воды парциальное давление паров воды (p) не изменяется с температурой. В условиях замкнутого пространства, (p) изменяется пропорционально температуре, выраженной в градусах Кельвина °K (°K=°C+273.16). При нормальной комнатной температуре, изменения в парциальном давлении пара (p) вызываются небольшим изменением температуры в °C практически незначительные. Поскольку (p) не зависит от температуры, в то время как (ps) зависит, относительная влажность газов (% RH = 100 xp/ps) сильно зависит от температуры. При относительной влажности 95% RH и комнатной температуре, повышение температуры на 1°C приводит к уменьшению относительной влажности приблизительно на 6% RH. При относительной влажности 50% RH и таком же увеличении температуры уменьшение относительной влажности происходит примерно на 3% RH.
Активность воды большинства гигроскопичных продуктов не столь сильно зависит от температуры. При комнатных условиях данные исследований показывают, что активность воды меняется, грубо, от 0.0005 до 0.005 Aw (0.05 to 0.5% RH) при изменении температуры на 1°C.
Это объясняется тем фактом, что парциальное давление (p) над поверхностью продукта изменяется с температурой. Для большинства гигроскопичных продуктов величина изменения парциального давления водяного пара (p) с температурой над их поверхностью почти такая же (но не точно), как величина изменения парциального давления насыщенных водяных паров над чистой водой.
В итоге, изменение температуры вызывает изменение в парциальном давлении водяного пара над гигроскопическим продуктом. В то же время парциальное давление паров воды в окружающем продукте воздухе практически не меняется. Это приводит к тому, что любое изменение в температуре гигроскопического продукта инициирует обмен влагой с окружающим его воздухом (или газом). Обмен происходит до тех пор пока парциальное давление паров воды над продуктом и в окружающем воздухе не выровняется. При измерении активности воды очень важно по возможности поддерживать температуру на постоянном уровне.

Применение

Активная часть содержится в веществе влаги, или, как теперь ясно, активность воды, обеспечивает более точную информацию по сравнению с общей влажностью относительно микробиологической, химической и ферментной стабильности скоропортящихся веществ, таких как продукты питания и семена. По тем же причинам активность воды не менее значима и в фармацевтической промышленности, где она предоставляет полезную информацию относительно плотности (прочности) таблеток и таблеток или качества нанесения оболочек. Активность воды можно напрямую сравнивать с относительной влажностью окружающего воздуха для предотвращения изменений в продукте (бумаги, фотографических пленках), для предотвращения гигроскопических порошков (сахарной пудры, соли) от слипания или окаменения, и т.д.
Активность воды может использоваться с некоторыми продуктами (преимущественно синтетическими), как способ косвенного определения общего содержания влаги. Для этих целей необходимо получение изотермы сорбции. Изотерма сорбции – это график, на котором показана связь между активностью воды и содержанием влаги при постоянной температуре. Для большинства природных веществ невозможно получить воспроизводимую изотерму сорбции и активность воды должна рассматриваться отдельно от влаги.

Определение активности воды в молочных продуктах

по материалам сайта ВНИМИ
Термин "активность воды" (англ. "Water activity" - Aw) впервые был введен Скоттом в 1952 г., доказавший, что существует зависимость между состоянием воды в продукте и ростом микроорганизмов в нем.
С этого времени Aw стала важнейшим параметром в консервной промышленности.
Само определение активности рассматривается как отношение фугитивности f (летучести) вещества в некотором состоянии до его фугитивности fs в любом состоянии, принятом стандартным.
Из-за того, что мы рассматриваем водные пищевые среды, под фугитивностью вещества понимается некоторая величина парциального давления пара над продуктом.
Если при стандартном состоянии принять давление пара над чистым растворителем (дистиллированная вода) отношение для Aw примет вид:
Аw = f/fs = p/ps, (1)
где: p - парциальное давление водяного пара над поверхностью продукта;
рs - давление насыщенного пара над чистой водой при температуре продукта.
Из-за того, что величина Aw носит термодинамический характер, то есть характеризует равновесное давление паров воды при определенной температуре, она может быть определена как равновесная относительная влажность, разделенная на 100.
Аw = Rh/100, (2)
где: Rh - равновесная относительная влажность, %
Отношение парциальных давлений паров над продуктом и чистым растворителем входит в основную термодинамическую формулу количественного определения энергии связи влаги с материалом (по П.А. Ребиндеру).
-*F = L = RT ln p/ps=RT ln Аw (Дж/моль), (3)
где:
*F - уменьшение свободной энергии системы;
L - работа отрыва 1 моля воды от материала (без изменения состава);
R - газовая постоянная;
Т – абсолютная температура.
На основании литературных данных в таблице 1 представлены величины Aw некоторых молочных продуктов.

Известно, что между водой, химическими соединениями и биологической структурой пищевых продуктов происходят взаимодействия разного характера. А именно – вода является дисперсной средой для целого ряда химических реакций и метаболизма микроорганизмов в продуктах питания. Величина Aw хорошо коррелирует со многими из них. Так понижение аw от 1 до 0.2 приводит к значительному замедлению химических и ферментативных реакций, кроме процесса окисления липидов и реакции Майяра.
В настоящее время изучены и определены пороговые значения Aw для большинства микроорганизмов, за пределами которых замедляются или прекращаются процессы их роста. Так для большинства бактерий предельное значение Aw, обеспечивающее их нормальное развитие должно быть не ниже 0.90 – 0.99. Дрожжи и многие плесневые грибы хорошо развиваются даже в пределах Aw = 0.85 – 0.65. В частности, в молочноконсервном производстве наиболее опасны осмофильные дрожжи, которые могут развиваться при Aw близкой к 0.70 и быть причиной брака сгущенки молочных консервов с сахаром.
По величине активности воды выделяют следующие виды пищевых продуктов:
продукты с высокой влажностью (Аw = 1.0 - 0.9);
продукты с промежуточной влажностью (Аw = 0.9- 0.6);
продукты с низкой влажностью (Аw = 0.6 - 0.0).
О важности данного показателя говорит и то, что Американский Институт Технологов-Пищевиков на своем 50-летнем юбилее отметил одним из десяти наиболее значимых нововведений в пищевой промышленности последнего полувека - концепцию активности воды, которая позволяет оценить степень подверженности сушеных продуктов и продуктов с промежуточной вологостью.
Таким образом, контролируя функционально-технологические показатели в продукте и, в частности, показатель Aw, можно прогнозировать его способность к хранению, что позволит создать "карты стабильности" молочных продуктов и определить оптимальные условия их хранения.