CH6 Water-Moisture and aW-updated PDF

น้ำ รำยวิชำ 1402 203 เคมีขององค์ประกอบในอำหำร (Chemistry of Food Components) Nitchara Toontom, Ph,D. Program of Nutritional Science, Dietitics and food safety Faculty of Public heath, MSU...

น้ำ รำยวิชำ 1402 203 เคมีขององค์ประกอบในอำหำร (Chemistry of Food Components) Nitchara Toontom, Ph,D. Program of Nutritional Science, Dietitics and food safety Faculty of Public heath, MSU 1  บทบำทที่ส้ำคัญของน้ำที่มีต่ออำหำร น้ำเป็นส่วนประกอบหลักของอำหำร โดยเฉพำะอำหำรสด เช่น ผัก H2O ผลไม้ เนือสัตว์ ไข่ นม 70% H2O 90% 2  ตำรำงที่ 1 : ปริมำณน้ำในอำหำรชนิดต่ำงๆ อำหำร น้ำ (%) อำหำร น้ำ (%) เนือหมู (ดิบ) 53-60 น้ำนม 87 เนือวัว (ดิบ) 50-70 เนยแข็ง 37 เนือไก่ (ดิบ) 70-74 ขนมปัง 35 เนือปลำ (ดิบ) 65-81 แฮม 28 ผลไม้สดชนิดต่ำงๆ 80-95 น้ำผึง 20 ผักสดชนิดต่ำงๆ 75-95 แป้งสำลี 12 เบียร์ 90 นมผง 4 3  บทบำทที่ส้ำคัญของน้ำที่มีต่ออำหำร (ต่อ) น้ำมีผลต่อกำรเสื่อมเสียของอำหำร (food spoilage) น้ำเป็นตัวท้ำละลำย; ตัวท้ำละลำยไอออนไนซ์ (Ionixing solvent) หรือ ตัวท้ำละลำยแบบมีขัว น้ำมีผลต่อเนือสัมผัสของอำหำร (textural properties) น้ำเป็นตัวกลำงส้ำคัญในกำรถ่ำยเทควำมร้อน เป็นตัวท้ำให้เกิดคอลลอยด์ ** คอลลอยด์ เป็นสำรเนือเดียวที่เกิดจำกกำรรวมตัวกันทำงกำยภำพของสำรตังแต่ 2 ชนิดขึนไป มีลักษณะมัวหรือขุ่น ไม่ตกตะกอน ขนำดของอนุภำคมีเส้นผ่ำศุนย์กลำง ประมำณ 10 - 7 ถึง 10 - 4 เซนติเมตร 4  โครงสร้ำงโมเลกุลของน้ำ น้ำเป็นสำรที่มีคุณสมบัติทำงกำยภำพแตกต่ำงจำกสำรอื่น เนื่องจำกมี 3 สถำนะ คือ 1. ของแข็ง Ice water 2. ของเหลว Liquid water 3. ก๊ำซ Water vapor 5  โครงสร้ำงโมเลกุลของน้ำ (H2O) Tetrahedral configuration ท้ำมุมกัน 104.5ซ น้ำโมเลกุลหนึ่ง ๆ จะสำมำรถเกิดพันธะไฮโดรเจนกับ น้ำโมเลกุลที่ข้ำงเคียงได้ถึง 4 โมเลกุลด้วยกัน ท้ำให้น้ำมีแรงดึงดูดระหว่ำงกันสูง จึงเป็นสำเหตุให้จุด จัดเป็นสำรจ้ำพวกโพลำร์ (polar molecule) เดือดของน้ำสูง 6  น้ำแต่ละโมเลกุลเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen-bonds) เรียงตัวต่อกันเป็นโครงสร้ำงจัตุรมุข (Tetrahedral) ท้ำให้น้ำต้องใช้ที่ว่ำง มำกขึนเมื่อเปลี่ยนสถำนะเป็นน้ำแข็ง ดังนันเมื่อน้ำเปลี่ยนสถำนะเป็น ของแข็งจะมีควำมหนำแน่นน้อยลง การเรียงตัวกันของนา้ ใน การเรียงตัวกันของนา้ ใน สถานะของเหลว สถานะของแข็ง 7  โครงสร้ำงโมเลกุลของน้ำ เมื่อน้ำมีอุณหภูมิเพิ่มขึน coordinate number และ ระยะห่ำงระหว่ำง O – H-- O จะเพิ่มขึน ซึ่งมีผลต่อควำมหนำแน่นของน้ำ ควำมหนำแน่นของน้ำ 0.9998 กรัม/ลูกบำศก์เซนติเมตร ที่ 0 องศำเซลเซียส น้ำแข็งมีควำมหนำแน่น 0.9168 กรัม/ลูกบำศก์เซนติเมตร ที่ 0 องศำเซลเซียส ควำมแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจนที่ยึดกันระหว่ำงโมเลกุลของน้ำ จะลดลงเมื่อ อุณหภูมิเพิ่มขึน สถำนะของน้ำ Coordinate number O – H-- O น้ำแข็ง (0๐C) 4.0 0.276 nm น้ำ (1.5๐C) 4.4 0.290 nm น้ำ (83๐C) 4.9 0.305 nm 8  สมบัติทำงกำยภำพของน้ำ สมบัติทำงกำยภำพ 1. จุดหลอมเหลวและจุดเดือด : ที่ควำมดัน 1 บรรยำกำศ น้ำมีจุดหลอมเหลว 0 o C และมีจุดเดือด 100 o C : โมเลกุลของน้ำค่อนข้ำงคงตัว เนื่องจำกพันธุไฮโดรเจน ระหว่ำงโมเลกุลของน้ำที่อยู่ในสภำพ 3 มิติ จึงท้ำให้น้ำเป็น ของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงกว่ำ และท้ำให้มีสมบัติทำงกำยภำพ ต่ำงจำกสำรอื่นที่มีน้ำหนักโมเลกุลใกล้เคียงกัน 9  ตำรำงที่ 2: กำรเปรียบเทียบสมบัติของน้ำกับสำรประกอบอื่น ชื่อสำร สูตร น้ำหนัก จุด จุดเดือด โมเลกุล โมเลกุล หลอมเหลว (o C) (o C) มีเทน CH4 16 -184 -161 แอมโมเนีย NH3 17 -78 -33 น้ำ H2O 18 0 100 ไฮโดรเจนฟลูโอไรด์ HF 20 -92 19 สำรอื่น (มีจ้ำนวนอะตอมและ นน.โมเลกุลใกล้เคียงกัน) มีโครงสร้ำงเป็น linear อยู่ในสภำพ 2 มิติ เท่ำนัน 10  สมบัติทำงกำยภำพของน้ำ (ต่อ) เป็นสมบัติที่ส้ำคัญของน้ำ ในกำรดูดซึมควำมร้อน หรือเก็บรักษำควำมร้อนไว้ 2. ควำมร้อนจ้ำเพำะ (specific heat) ในเนือเยื่อของร่ำงกำย : น้ำมีควำมร้อนจ้ำเพำะสูง น้ำมีควำมร้อนจ้ำเพำะ 4.184 จูล/กรัม/องศำเซลเซียส ซึ่งหมำยถึงกำรที่จะ ท้ำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึน 1°C จะต้องใช้พลังงำน 4.184 จูล : สำมำรถดูดและคำยควำมร้อนได้ดี ขณะที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย 3. ควำมหนำแน่น : อัตรำส่วนของน้ำหนักต่อหน่วยปริมำตร (g/cm3) 0.9982 กรัม/ลูกบำศก์เซนติเมตร ที่ 20 องศำเซลเซียส และจะเพิ่มขึนเป็น 0.9998 กรัม/ลูกบำศก์เซนติเมตร ที่ 0 องศำเซลเซียส แต่เมื่อเปลี่ยนสถำนะ เป็นของแข็งที่ 0 องศำเซลเซียส ควำมหนำแน่นจะลดลงเป็น 0.9168 กรัม/ ลูกบำศก์เซนติเมตร ควำมหนำแน่นสูงสุดอยู่ที่ 4 องศำเซลเซียส เพรำะที่อุณหภูมินีโครงสร้ำง โมเลกุลของน้ำมีโมเลกุลของน้ำอิสระน้อยที่สุด 11  ควำมหนำแน่นของน้ำ ภำพแสดงควำมหนำแน่นของน้ำ ณ อุณหภูมิต่ำงๆ 12  สมบัติทำงกำยภำพของน้ำ (ต่อ) 4. ควำมร้อนแฝงในกำรหลอมเหลวและกำรเกิดไอ (latent heat of fusion and heat of vaporization) : เมื่อน้ำมีอุณหภูมิต่้ำลงพันธะไฮโดรเจนที่มแี รงยึดกันมำกจะดึงโมเลกุล ของน้ำเข้ำหำกันมำกขึนกลำยสภำพเป็นน้ำแข็ง : ควำมร้อนแฝงในกำรหลอมเหลวของน้ำ หมำยถึง จ้ำนวนพลังงำน เป็นแคลอรีที่สำมำรถเปลี่ยนน้ำแข็ง 1 กรัม ที่ 0 o C เป็นของเหลวที่อุณหภูมิ เดียวกัน ซึ่งมีค่ำ 80 แคลอรี/กรัม หรือ 1.436 Kcal/mol : น้ำจะมีค่ำเหล่ำนีสูง เนื่องจำกมีแรงยึดของพันธะไฮโดรเจนระหว่ำง โมเลกุลของน้ำ 13  เมื่อน้ำได้รับพลังงำน/ควำมร้อนเพิ่มขึน H-bond จะถูกท้ำลำยไป เรื่อย แต่น้ำยังคงเป็นของเหลว จน T สูงถึง 100 o C H-bond จะ ถูกท้ำลำยหมด จะท้ำให้น้ำเป็นสถำนะจำกของเหลวกลำยเป็นไอ ควำมร้อนแฝงในกำรเกิดไอน้ำ คือ จ้ำนวนพลังงำนเป็นแคลอรีที่ สำมำรถเปลี่ยนน้ำ 1 กรัม ที่ 100 o C เป็นของไอที่อุณหภูมิ เดียวกัน ซึ่งมีค่ำ 539 แคลอรี/กรัม หรือ 9.705 Kcal/mol) กำรที่น้ำมีค่ำควำมร้อนแฝงและควำมจุควำมร้อนสูง มีควำมส้ำคัญมำกต่อ กระบวนกำรแปรรูปอำหำร เช่น กำรแช่เยือกแข็ง และกำรท้ำแห้ง 14  (539 cal/g/c) ภำพที่ 1 พลังงำนที่ใช้ในกำรเปลี่ยนสถำนะของน้ำ 15  สมบัติทำงกำยภำพของน้ำ (ต่อ) 5. กำรน้ำควำมร้อน (heat conductivity) คือ กำรถ่ำยเทควำมร้อนโดยตรงระหว่ำงสำรซึ่งต้องกำรกำรสัมผัส โดยตรง : น้ำเป็นตัวน้ำควำมร้อนที่ดี ใกล้เคียงกับโลหะ 6. ควำมหนืด (viscosity) : น้ำจะมีควำมหนืดลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึน 16  สมบัติทำงเคมีของน้ำ Kw เป็นค่ำคงที่ = 1.0 x 10-14 (mol/dm3)2 ณ อุณหภูมิ 25 oC [H3O+] = [OH- ] = 1.0 x 10-7 1. กำรแตกตัวของน้ำ (dissociation of water) โมเลกุลของน้ำสำมำรถแตกตัวออกเป็นไฮโรเจนไออน และไฮดรอกซิลไออน น้ำบริสุทธิ์จะมีควำมเข้ม/จ้ำนวนไฮโดรเจนไออน เท่ำกับ ไฮดรอกซิลไออน (1.0x10-7 โมล/ลิตร (โมลำร์) จึงมีคุณสมบัติเป็นกลำง 17  สมบัติทำงเคมีของน้ำ 2. ค่ำควำมเป็นกรด-ด่ำง (pH) 2H2O ↔ H3O+ + OH- : power of hydrogen : หมำยถึง the negative log of the hydrogen ion concentration (เป็นกำรวัดค่ำควำมเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน หรือ ควำมเป็นกรดด่ำง ของสำรละลำยนัน) pH = -log [H+] : ที่ 25 o C น้ำบริสุทธิ์มีควำมเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน 10 -7 โมล pH = -log [10-7] = -(-7) =7 18  ค่ำควำมเป็นกรด-ด่ำง (pH) ค่ำ pH จะลดลงเมื่อควำมเข้มข้นของ H+ เพิ่มขึน และค่ำ pH จะเพิ่มขึน เมื่อควำม เข้มข้นของ H+ ลดลง Kw (ion product ของน้ำ) = [H+] [OH] = 1 x 10-14 โมลต่อลิตร log [H+]+ log [OH] = log 10-14 pH + pOH = 14 ดังนัน สเกลของค่ำ pH จึงถูกก้ำหนดให้อยู่ในช่วง 0-14 และที่ pH = 7 จึงถือว่ำเป็น กลำง 0 -------------------------- 7----------------------------→14 19  สมบัติทำงเคมีของน้ำ 3. กำรเกิดปฏิกิริยำไฮโดรไลซิส Hydrolysis มำจำกค้ำว่ำ Hydro หมำยถึง น้ำ lysis หมำยถึง กำรย่อย ปฏิกิริยำ Hydrolysis ก็คือใช้ H2O เป็นตัวท้ำปฏิกิริยำ หรือ ใช้น้ำในกำร ย่อยสลำยสำรโมเลกุลใหญ่ ให้กลำยเป็นสำรที่มีโมเลกุลขนำดเล็กลง โปรตีน + น้ำ = กรดอะมิโน คำร์โบไฮเดรต + น้ำ = น้ำตำลโมเลกุลเดี่ยว น้ำตำลซูโครส + น้ำ = น้ำตำลกลูโคส +น้ำตำลฟรุคโตส ไขมัน + น้ำ = กรดไขมัน + กลีเซอรอล 20  คุณสมบัติในกำรเป็นตัวท้ำละลำยของน้ำ เมื่อเติมน้ำ แรงอีเล็กโตรสแตติกระหว่ำง เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไอออน โซเดียมกับคลอรีนจะลดลง 80 เท่ำ น้ำเป็นตัวท้ำละลำยที่ดีที่สุด โมเลกุล H+ O- ของน้ ำ ยึ ด เหนี่ ย วกั น ด้ ว ยพั น ธะ ไฮโดรเจน โดยแรงอิเล็กโตรสแตติก (Electrostatic forces) โมเลกุลของน้ำสำมำรถยึดเหนี่ยวกับ โมเลกุลอื่นด้วย โมเลกุล ของสำรประกอบบำงชนิดยึดเหนี่ยวกันด้วย แรงอีเล็กโตรสแตกติกของโมเลกุลน้ำ พันธะไอออน (Ionic bonds) โดยมีแรงอิเล็กโต มีพ ลั ง มำกกว่ำ แรงอิเ ล็ก โตรสแตกติ รสแตติกระหว่ำงประจุบวกและประจุลบของอะตอม กของโมเลกุลอื่นเสมอ แต่ละตัว แรงอิเล็กโตรสแตติกของโมเลกุลเหล่ำนีจะ ลดลงเหลือเพียง 1/80 เมื่อถูกรบกวนจำกแรงอิเล็ก โตรสแตติกของน้ำ 21  Importance of water 1. ปฏิกิริยำระหว่ำงน้ำและสำรถูกละลำย (Water-soluble interaction) เมื่อเติมสำรใดๆ ลงในน้ำ จะมีผลให้ คุณสมบัติของน้ำเปลี่ยนไป และคุ ณ สมบั ติ ข องสำรนั นๆด้ ว ย สำรประเภทรวมตั ว กั บ น้ ำ จะท้ ำ ปฏิกิริยำกับน้ำด้วย ion-dipole หรือ dipole-dipole ซึ่งท้ำให้เกิดกำร เปลี่ยนแปลงโครงสร้ำงน้ำและกำรเคลื่อนที่ของน้ำ 22  Importance of water Water-soluble interaction หมำยถึง แนวโน้ม ของน้ำที่จะ รวมตัว กับสำรพวก hydrophilic substance กำรยึดติด อย่ำงเหนี่ยวแน่นขึนอยู่กับปัจจัยหลำยอย่ำง เช่น อุณหภูมิ pH องค์ประกอบของเกลือ เป็นต้น 23  Importance of water 2. Water –Holding capacity, WHC เป็นควำมสำมำรถของโมเลกุล หรืออำหำรซึ่งส่วนมำกเป็น โมเลกุลขนำดใหญ่ ที่กักอุ้มน้ำไว้โดยไม่ซึมออกมำ อำหำรประเภท นีได้แก่ โปรตีน เจลของเพคติน (pectin) และแป้ง (starch) เป็นต้น 24  Importance of water 3. Water activity aw กำรเสื่อมคุณภำพจำกกำรเน่ำเสีย ของอำหำรมีควำมสัมพันธ์ กับปริมำณน้ำของอำหำร 25  ชนิดของน้ำในอำหำร น้ำในอำหำรแบ่งออกเป็น 3 ชนิด 1. monolayer water (very tightly bound : true bound water) 2. capillary water 3. free water (loosely bound water) 26  ชนิดของน้ำในอำหำร 1. Monolayer water (very tightly bound : true bound water) : เป็นน้ำส่วนแรก มีควำมคงตัวมำก ยึดเกำะกันอย่ำงเหนียวแน่นกับ องค์ประกอบอื่นในอำหำรด้วยพันธะเคมีที่แข็งแรง โดยปกติ ไม่ระเหยจำก กำรท้ำแห้ง (drying) หรือแช่แข็ง (freezing) ไม่สำมำรถก้ำจัดออกด้วย ควำมร้อนปกติ และจุลินทรีย์ไม่สำมำรถน้ำไปใช้ ได้โดยทั่วไปมีประมำณ ร้อยละ 9.5-30 ของปริมำณน้ำทังหมด หมำยถึง น้ำในที่เหลืออยู่ในสภำพของเหลวที่ T 0๐C หรือ ต่้ำกว่ำ -20๐C (ส้ำหรับอำหำรแช่เยือกแข็ง) แปรผันตำมปริมำณของโปรตีนในอำหำรแต่ละชนิด 27  ชนิดของน้ำในอำหำร 2. Capillary water : อยู่ในโครงสร้ำงของเนือเยื่อ และเมื่อโครงสร้ำงของเนือเยื่อถูกท้ำลำยจะ ท้ำให้สูญเสียน้ำส่วนนีได้ เช่น กำรแช่เยือกแข็ง เกิด drip loss ในเนือเยื่อ และมีบทบำทต่อกำรเกิด hysteresis : น้ำชนิดนีจะถูกดูดซับด้วยสำรพวกโมเลกุลใหญ่ ซึ่งประกอบด้วยแรงแวน เดอวำล์ล หรือพันธะไฮโดรเจน : จุลินทรีย์บำงชนิดที่ต้องกำรควำมชืนต่้ำ สำมำรถน้ำไปใช้ประโยชน์ได้ และมีส่วนเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยำเคมีบำงชนิด เช่น ปฏิกิริยำเมลลำร์ด เป็น ต้น 28  ชนิดของน้ำในอำหำร 3. Free water (loosely bound water) เป็นน้ำที่อยู่ในช่องว่ำงของโมเลกุลของอำหำร ซึ่งเป็นน้ำทีร่ ะเหยได้ ง่ำย โดยน้ำจะจับกับสำรโมเลกุลใหญ่ ด้วยพันธะ hydrophilic เช่น โปรตีน กัม สำรประกอบพวกฟีโนลิก (phenolic compound) น้ำอิสระเป็นน้ำที่แทรกตัวอยู่ในช่องว่ำงของอำหำร มีคุณสมบัติ เหมือนน้ำปกติ สำมำรถเป็นตัวท้ำละลำยได้ มีส่วนเกี่ยวข้องกับ ปฏิกิริยำเคมีและจุลินทรีย์สำมำรถน้ำน้ำส่วนนีไปใช้ได้ 29  ชนิดของน้ำในอำหำร ในอำหำรจะมีองค์ประกอบที่สร้ำงพันธะกับน้ำอยู่มำกมำย กำรเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ มีผลต่อปริมำณ น้ำในอำหำร โดยเฉพำะน้ำอิสระ อำหำรต่ำงชนิดกัน มีควำมชืนเท่ำกันไม่จ้ำเป็นว่ำจะต้องมีน้ำอิสระ เท่ำกัน ถ้ำอำหำรมีน้ำอิสระมำกจะเสียได้ง่ำย กำรทรำบปริมำณอิสระในอำหำรจึงมีควำมจ้ำเป็น เพื่อที่จะคำด เดำกำรเสื่อมเสียของอำหำรได้ 30  กำรวัดปริมำณน้ำอิสระ กำรวัดปริมำณน้ำอิสระสำมำรถท้ำได้ยำก แต่น้ำอิสระมีควำมสัมพันธ์กับ ควำมดันไอตำมกฎของ Raoult’s law Raoult’s law คือ “ควำมดันไอแปรผันตรงกับปริมำณน้ำอิสระ” เมื่อควำมเป็นอิสระของน้ำมีค่ำ เท่ำกับ อัตรำส่วนของน้ำที่เป็นอิสระต่อน้ำที่ มีอยู่ทังหมดในอำหำร ค่ำ water activity จึงมีค่ำ เท่ำกับ อัตรำส่วนของควำมดันไอของน้ำใน อำหำร (p) ต่อ ควำมดันไอน้ำบริสุทธิ์ (p0) 31  Water activity (aw) ค่ ำ กิ จ กรรมของน้ ำ เป็ น คุ ณ สมบั ติ อ ย่ ำ งหนึ่ ง ของอำหำร มี ควำมสัมพันธ์กับควำมชืนสัมพันธ์ (relative humidity) ของ บรรยำกำศ ควำมชืนสัมพันธ์ เป็นอัตรำส่วนควำมดันย่อย (partial pressure) ของไอน้ ำ ในอำกำศต่ อ ควำมดั น ไอของน้ ำ บริ สุ ท ธิ์ ที่ อุ ณ หภู มิ เดียวกัน ที่สภำวะสมดุล(equilibrium condition) 32  Water activity (aw) อัตรำส่วนของควำมดันไอของน้ำในอำหำร (p) ต่อควำมดันไอของ น้ำบริสุทธิ์ (po) aw = p/ po Raoult’s law : ตัวถูกละลำยจะลดควำมดันไอของน้ำในอำหำร ท้ำให้ aw ลดลง aw = ERH /100 : ERH (equilibrium relative humidity) 33  Water activity (aw) น้ำในอำหำรท้ำให้เกิดควำมดันไอ ซึ่งควำมดันไอที่เกิดขึนจะมำก/น้อย ขึนอยู่กับ 1. ปริมำณน้ำในอำหำร 2. อุณหภูมิ 3.ควำมเข้มข้นของตัวถูกละลำยที่ละลำยอยู่ในน้ำ เช่น เกลือ และน้ำตำล อำหำรที่มีควำมชืนสูง/มีปริมำณน้ำมำกกว่ำส่วนทีเ่ ป็นของแข็ง จะมีค่ำ aw = 1 และเมื่ออำหำรมีควำมชินลดต่้ำลง จะมีค่ำ aw < 1 34  กำรจ้ำแนกตำมค่ำแอคติวิตีของน้ำ (water activity) สำมำรถแบ่งอำหำรตำมค่ำ water activity ออกเป็น 3 ประเภทดังนี Perishable food Intermediate moisture food Dried food 35 36  Sorption isotherm Sorption behaviour of foods is important in: 1. Studying mechanisms of drying and designing dehydration processes 2. Predicting storage stability of dried foods. 37  Sorption isotherm อำหำรหลำยชนิดมีไอโซเทอร์มกำรดูดซับควำมชืน (Adsorption) ที่แตกต่ำงกัน เช่นกำรเติมน้ำไปยังอำหำรแห้ง รวมทังไอโซเทอร์ม กำรคำยควำมชืน (Desorption) เช่นกัน ลักษณะไอโซเทอร์มของอำหำรส่วนใหญ่เป็นรูปโค้งกลับ (sigmoid shape) ลักษณะของ isotherm ขึนกับหลำยปัจจัยเช่น องค์ประกอบของ อำหำร โครงสร้ำงทำงกำยภำพของอำหำร อุณหภูมิและกำร เตรียมอำหำร 38 Hygroscopic product & Non-hygroscopic product หำกควำมชื นสั ม พั ท ธ์ ข องอำกำศเพิ่ ม ขึ นเพี ย ง เล็กน้อย และอำหำรมี ค วำมสำมำรถในกำรดู ด ค ว ำ ม ชื น ไ ด้ ม ำ ก เ ส้ น ก ร ำ ฟ adsorption isotherm จะมีควำมชันมำก อำหำรประเภทนี เรียกว่ำ hygroscopic product (ตัวอย่ำง A) ถ้ำอำหำรไม่มีควำมไวต่อควำมชืนสัมพัทธ์ ของ อำกำศที่ เ พิ่ ม ขึ น เส้ น กรำฟจะมี ค วำมชั น น้ อ ย อำหำรประเภทนี เรี ย กว่ ำ non-hygroscopic (ตัวอย่ำง B) ภำพแสดง adsorption isotherms ของสำรประเภท hygroscopic product (A) และ non-hygroscopic product (B) (นิธิยำ, 2551) 39 Isotherm ของกำรดูดซับควำมชืนของอำหำรทัว่ ไป 40 กำรเปลี่ยนแปลงของ aw เกิดระหว่ำงกระบวนกำรท้ำแห้ง Sorption isotherm @ อุณหภูมิ และควำมดันคงที่ กำรคำยควำมชืน จำกอำหำรสด กำรดูดคำมชืนกลับจำกอำหำรแห้ง 41  ปกติแล้วกระบวนกำรทัง 2 ไม่สำมำรถย้อนกลับได้ (irreversible) ท้ำให้เกิดปรำกฎกำรณ์ ฮิสเตอร์ริซีส (hysteresis) ใช้ส้ำหรับดูควำมสำมำรถใน กำรดูดควำมชืนจำกอำกำศ/ วิเครำะห์ควำมชืนของ ใช้ส้ำหรับกระบวนกำรท้ำแห้ง อำหำรที่ค่อยๆ เพิ่มขึน 42  ควำมสัมพันธ์ของ water activity กับคุณภำพและควำมปลอดภัยอำหำร (food safety) น้ำส่วน capillary water ค่อนข้ำงก้ำจัดยำก ถ้ำลด จะท้ำให้ น้ำที่เกำะอยู่กับ สำรอำหำรอย่ำง aw ลดลง ช่วยยับยัง mo และ ปฏิกิริยำเคมี aw เหนียวแน่น 0.3-0.8 aw 0-0.25/0.3 น้ำอิสระ aw 0.8-1.0 IMF, substrate ถูกละลำยได้มำก พอ 43  ควำมสัมพันธ์ค่ำ water activity กับ กำรเจริญเติบโตของเชือจุลินทรีย์ กำรเสื่อมเสียของอำหำรโดยส่วนใหญ่เกิดจำกกำรเจริญเติบโตของ เชือจุลินทรีย์ วิธีกำรควบคุมค่ำ aw จึงเป็นวิธีที่ใช้กันอย่ำงแพร่หลำยในอุตสำหกรรม อำหำร (แล้วควบคุมอย่ำงไร?) สิ่งส้ำคัญของกำรป้องกันกำรเสื่อมเสียเนื่องจำกเชือจุลินทรีย์ คือ กำร ป้องกันกำรเจริญของเชือจุลินทรีย์ที่สร้ำงสำรพิษได้ เช่น Clostridium botulinum (aw ต้่ำกว่ำ 0.93) 44 ค่ำ Water Activity ที่จุลินทรีย์สำมำรถเจริญเติบโตได้ 45  กำรวิเครำะห์ค่ำ aw (Water Activity Analysis) ไม่มีเครื่องมือชนิดใด ที่สำมำรถวัดค่ำ aw ได้โดยตรง กำรวัดค่ำ aw จะท้ำโดยกำรวัดควำมชืนของอำกำศ แวดล้อมในภำชนะปิด ที่สภำวะควำมชืนสมดุลของอำหำร และอำกำศแวดล้อม วิธีกำรวัดมี 2 วิธี แบบ Static แบบ Dynamic 46  แบบ Static อำหำรจะถูกท้ำให้อยู่ในสภำพสมดุลด้วยอำกำศชืนนิ่ง อำหำร ตัวอย่ำงซึ่งท้ำให้เหลือแต่มวลแห้ง (dry matter) โดยผ่ำนกำร อบแห้งมำก่อนจะถูกวำงอยู่ในภำชนะปิด ซึ่งมีสำรละลำยเกลือ อิ่มตัวบรรจุอยู่ 47  สำรละลำยเกลือ สำมำรถใช้ได้หลำยสำร เพื่อก้ำหนดช่วงค่ำ aw เมื่ออำหำรถูกบรรจุอยู่ในภำชนะปิดแล้ว จะมีกำรถ่ำยเทควำมชืน ระหว่ำงอำหำรกับบรรยำกำศที่อิ่มตัว แล้วจนถึงสมดุลควำมชืน อำจใช้ระยะเวลำนำนเป็นสัปดำห์ เมื่ออำหำรอยู่ในสภำวะสมดุลควำมชืนแล้ว จึงน้ำอำหำรมำหำค่ำ ควำมชืนอีกครัง 48 49  แบบ Dynamic ท้ำได้โดยกำรหำค่ำควำมชืนสัมพันธ์ของอำหำรในภำชนะปิดด้วยเครื่องมือ ซึ่ง สำมำรถวัดควำมชืนสัมพันธ์ของพืนที่อำกำศว่ำง (head space) ของ อำหำรด้วย sensor แบบต่ำงๆ คือ 1.เซ็นเซอร์แบบตัวเก็บประจุ (capacitance relative humidity sensor) และ 2.เซนเซอร์แบบกระจกสะท้อนจุดอิ่มตัว (chilled-mirror dewpoint sensor) 50  เซ็นเซอร์แบบกระจกสะท้อนจุดอิ่มตัว มีควำมแม่นย้ำมำกกว่ำ และไม่ขึนกับอุณหภูมิในกำรตรวจสอบค่ำ aw สำมำรถวัดได้อย่ำง รวดเร็ว (5 นำที) ค่ำที่อ่ำนได้มีควำมคลำดเคลื่อนน้อยกว่ำ 51  ควำมชืน (moisture) เป็นค่ำที่บ่งชีปริมำณน้ำที่มีอยู่ในอำหำร เป็นสมบัติที่ส้ำคัญมำกที่สุดอย่ำง หนึ่งของอำหำร 52  กำรแสดงค่ำควำมชืนของอำหำร ปริมำณควำมชืน นิยมบอกเป็นเปอร์เซ็นต์มี 2 รูปแบบคือ 1. ควำมชืนฐำนเปียก (wet basis) เป็นค่ำควำมชืนที่มักใช้ในทำงกำรค้ำ เป็นค่ำที่ใช้บ่งชีควำมชืนโดยทั่วไปในชีวิตประจ้ำวัน มักบอกเป็นเปอร์เซ็นต์ 2. ควำมชืนฐำนแห้ง (dry basis) เป็นค่ำที่นิยมใช้กันในกำรวิเครำะห์ กระบวนกำรอบแห้ง (dehydration) เพรำะช่วยให้ค้ำนวณได้สะดวก เนื่องจำกน้ำหนักแห้งของอำหำรจะคงที่ อำจบอกเป็นเปอร์เซ็นต์ หรือ จ้ำนวนกรัมของน้ำต่อจ้ำนวนกรัมของของแข็ง (g H2O/ g solid) 53  ควำมชืน (moisture) wet basis หมำยถึงกำรเทียบปริมำณควำมชืนกับน้ำหนักรวม ของของแข็ง วัสดุมีค่ำควำมชืน 20% wet basis หมำยถึง มีน้ำ 20 กรัมต่อ ของแข็ง 80 กรัม dry basis เป็นกำรเทียบปริมำณควำมชืนกับของแข็งเท่ำนัน วัสดุมีค่ำควำมชืน 20% dry basis หมำยถึง มีน้ำ 20 กรัมต่อ ของแข็ง 100 กรัม 54  กำรค้ำนวนควำมชืน (Moisture Content) %ควำมชืนฐำนเปียก (wet basis) = % ควำมชืนฐำนแห้ง 100 (dry basis) = 55  Water activity (aw)กับ ปริมำณควำมชืน ปริมำณควำมชืนเป็นควำมชืนรวม (total moisture) ได้แก่ปริมำณ น้ำที่ถูกยึดติดบวกกับปริมำณน้ำอิสระ ที่มีอยู่ในตัวอย่ำงอำหำร วอเตอร์แอคทิวิตีเป็นค่ำเฉพำะ บ่งถึงควำมชืนอิสระที่วัดได้ อำหำรชืนมีแนวโน้มที่จะมีค่ำวอเตอร์แอคทิวิตีสูงกว่ำอำหำรแห้ง แต่ ไม่ได้จริงเสมอไป 56 57  กำรวัดควำมชืน 1. กำรวัดควำมชืนโดยตรง (direct method) ได้แก่ 1.1 Karl Fischer method กำรท้ำปฏิกิริยำเคมี (chemical reaction) วัดปริมำตรของไอโอดีนที่ใช้ในกำรไทเทรต 1.2 กำรวิเครำะห์ควำมชืนด้วยกำรอบแห้ง 1.3 กำรวิเครำะห์ควำมชืนด้วยกำรกลั่น (distillation) 1.4 กำรใช้รังสีอินฟรำเรดหรือคลื่นไมโครเวฟ (infrared and microwave radiation) แผ่ทะลุเข้ำไปในเนือวัสดุ ส่งผลให้โมเลกุลของน้ำในเนือวัสดุสั่น และเกิดควำมร้อน รูปแสดงเครื่องมือกำรหำควำมชืนด้วยวิธี Karl Fisher 58  อุปกรณ์หำควำมชืนแบบอินฟรำเรด ฮีตเตอร์อินฟรำเรด เครื่องชั่งและ อำหำรตัวอย่ำง ประมวลผลควำมชืน 59  มำตรฐำนกำรหำควำมชืน กำรหำควำมชืนโดยวิธีทำงตรง อำจเป็นตู้อบไล่ควำมชืนธรรมดำหรือเป็น ตู้อบสุญญำกำศก็ได้ (สมชำติ, 2540) – ผลไม้แห้ง อบที่ 70C เป็นเวลำ 5 ชั่วโมงในตู้อบสุญญำกำศ – นมผงแห้ง อบที่ 100C เป็นเวลำ 5 ชั่วโมงในตู้อบสุญญำกำศ – กำกน้ำตำล อบที่ 70C เป็นเวลำ 2 ชั่วโมงในตู้อบสุญญำกำศ – เมล็ดพันธุ์ อบที่ 130C เป็นเวลำ 1-2 ชั่วโมงในตู้อบไล่ควำมชืนปกติ หรือ อบที่ 100C เป็นเวลำ 72-96 ชั่วโมงในตู้อบไล่ควำมชืนปกติ 60  มำตรฐำนกำรหำควำมชืน ในกำรอบไล่ควำมชืน อำจสังเกตได้จำกน้ำหนักแห้งของวัสดุที่เปลี่ยนไป หำกพบว่ำน้ำหนักของวัสดุยังมีกำรเปลี่ยนแปลงเมื่อครบเวลำอบที่ก้ำหนด ไว้ แสดงว่ำควำมชืนในอำหำรยังถูกก้ำจัดออกไปได้ไม่สมบูรณ์ ดังนันจึง ควรอบต่อไปจนกระทั่งน้ำหนักวัสดุที่อบนันไม่มีกำรเปลี่ยนแปลง Association of Official Agricultural Chemists หรือ AOAC 61  กำรวิเครำะห์ควำมชืนด้วยกำรอบแห้ง Food International National Outline of method Standard No. Standard No. Cereal and pulses ISO 711, 1985 BS 4317-2, 1987 45-50 °C, 100 h (reference method) Cereals, except ISO 712, 1998 BS 4317-3, 1999 5 g ground sample, maize products 130-133 °C, 2 h Maize ISO 6540, 1980 BS 4317-1, 1981 8 g ground sample, 130-133 °C, 4 h or 25 g whole grain sample,130 °C, 38 h Wheat ASAE S 352.2, 1997 130 °C, 19 h Barley ASAE S 352.2, 1997 130 °C, 20 h Oilseeds EN ISO 665, 2000 BS 4289-3, 2000 101-105 °C, 3+1 h Pulses BS 1743-1968, BS 1 g sample, 103 °C to constant weight; 100 °C vacuum over to 5272-1975, AOAC constant weight 16-192 Milk powder BS 1743-1968, BS 1 g sample, 103 °C to constant 5272-1975, AOAC weight; 100 °C vacuum over to 16-192 constant weight Dried fish, dried 5 g ground sample weighed, salt fish mixed with a little water, dried at 100 °C for 4 h Cheese, processed BS 770-2, 1976 3 g ground sample weighed, mixed with 20 g sand and water, dried at 100 °C for 18 h Dried fruit ISO 1026-1982 AOAC 22-013 Azeotropic distillation or vacuum 62 oven, 70 °C,