น้ำและความชื้นในผลิตภัณฑ์เกษตรและอาหาร

1. น้ำ (water) หรือ ความชื้น (moisture) เมื่อ Mw ในอาหาร < 50% (w.b.) จะเรียกว่า น้ำอิสระ (Free water) ประพฤติตัวเหมือนน้ำบริสุทธิ์ จะมีคุณสมบัติทางฟิสิกส์และเคมีเหมือน ๆ กัน เช่น ความดันไอเท่า ๆ กัน เมื่อปริมาณน้ำในอาหารลดล จนถึงจุดซึ่งน้ำไม่สามารถประพฤติตัวเหมือนน้ำบริสุทธ์ สถานะของน้ำในอาหารเช่นนี้จะเรียกว่า น้ำผูกพัน (Bound Water) น้ำและความชื้นในผลิตภัณฑ์เกษตรและอาหาร

2. น้ำอิสระ (Free Water) น้ำผูกพัน (Bound Water) แผนภาพจำลองการเปรียบเทียบน้ำอิสระและน้ำผูกพัน ระหว่างโมเลกุลและภายในโมเลกุล

3. น้ำและความชื้นในผลิตภัณฑ์เกษตรและอาหารน้ำและความชื้นในผลิตภัณฑ์เกษตรและอาหาร • น้ำอิสระเปรียบเสมือนน้ำที่ถูกดูดซับในท่อแคปปิลารี่ระหว่างโมเลกุล ส่วนน้ำผูกพันคือน้ำที่แทรกอยู่ตามผนังโครงสร้างของอาหารซึ่งถูกยึดด้วยกลไกระดับโมเลกุลในส่วนต่าง ๆ ของอาหาร • ส่วนน้ำผูกพันคือน้ำที่แทรกอยู่ตามผนังโครงสร้างของอาหารซึ่งถูกยึดด้วยกลไกระดับโมเลกุลในส่วนต่าง ๆ ของอาหาร ได้แก่ กลุ่มไฮดรอกซิลของโพลีแซกคาไลด์ กลุ่มของคาร์บอนิลและอะมิโนในโปรตีน และกลุ่มโมเลกุลมีขั้วต่าง ๆ

4. การหาความชื้น • ความชื้นมาตรฐานเปียก • ความชื้นมาตรฐานแห้ง • ความสัมพันธ์ความชื้น

5. มาตรฐานการหาความชื้น • การหาความชื้นโดยวิธีทางตรง อาจเป็นตู้อบไล่ความชื้นธรรมดาหรือเป็นตู้อบสุญญากาศก็ได้ (สมชาติ, 2540) • ผลไม้แห้ง อบที่ 70C เป็นเวลา 5 ชั่วโมงในตู้อบสุญญากาศ • นมผงแห้ง อบที่ 100C เป็นเวลา 5 ชั่วโมงในตู้อบสุญญากาศ • กากน้ำตาล อบที่ 70C เป็นเวลา 2 ชั่วโมงในตู้อบสุญญากาศ • เมล็ดพันธุ์ อบที่ 130C เป็นเวลา 1-2 ชั่วโมงในตู้อบไล่ความชื้นปกติ หรือ อบที่ 100C เป็นเวลา 72-96 ชั่วโมงในตู้อบไล่ความชื้นปกติ

6. มาตรฐานการหาความชื้น • ในการอบไล่ความชื้น อาจสังเกตได้จากน้ำหนักแห้งของวัสดุที่เปลี่ยนไป หากพบว่าน้ำหนักของวัสดุยังมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อครบเวลาอบที่กำหนดไว้ แสดงว่าความชื้นในอาหารยังถูกกำจัดออกไปได้ไม่สมบูรณ์ ดังนั้นจึงควรอบต่อไปจนกระทั่งน้ำหนักวัสดุที่อบนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลง • Association of Official Agricultural Chemists หรือ AOAC

7. ฮีตเตอร์อินฟราเรด เครื่องชั่งและประมวลผลความชื้น อาหารตัวอย่าง อุปกรณ์หาความชื้นแบบอินฟราเรด

8. การวัดความชื้นโดยวิธีอ้อมการวัดความชื้นโดยวิธีอ้อม • โดยวัดคุณสมบัติบางอย่างของวัสดุซึ่งขึ้นอยู่กับความชื้น เช่นความต้านทานทางไฟฟ้าหรือคุณสมบัติทางไดอิเลคทริก (Dielectric) • วิธีนี้เป็นวิธีที่รวดเร็ว อาจใช้เวลาเพียง 1 นาทีเท่านั้น • ข้อเสีย • ช่วงการวัดความชื้นจะแคบกว่าวิธีตรง • มีความคลาดเคลื่อน เนื่องจากอุณหภูมิและความหนาแน่นของการบรรจุวัสดุตัวอย่าง • เครื่องวัดความชื้นแบบทางอ้อมนี้ส่วนใหญ่จะใช้กับเมล็ดพันธุ์ แต่ไม่เหมาะสำหรับอาหารที่มีความชื้นสูง

9. Water Activity • คือปริมาณน้ำอิสระที่เป็นประโยชน์ต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์และปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ • ค่า aw สามารถนิยามได้ว่าเป็นความชื้นสัมพัทธ์สมดุล (Equilibrium relative humidity: ERH) ณ จุดที่อาหารไม่มีการดูดซับหรือสูญเสียน้ำ awx100 = %ERH = P/P0x100

10. aw • aw น้ำบริสุทธิ์ = 1.00 aw ของอาหาร = 0-1.00 • อาหารความชื้นสูง เช่น ผัก ผลไม้ เนื้อ ฯลฯ aw > 0.97 • อาหารความชื้นปานกลางจะมีค่า aw = 0.6-0.9 • อาหารแห้ง เช่น ขนมปังแผ่น นมผง กาแฟสำเร็จรูป ค่า aw < 0.6 • การถนอมอาหารจะใช้วิธีการลดค่า aw ให้ต่ำลง ซึ่งจะจำกัดปริมาณความชื้นที่จะเป็นประโยชน์ต่อปฏิกิริยาต่าง ๆ ที่ทำให้อาหารเสื่อมคุณภาพ เช่น ปฏิกิริยาเคมีแบบ Enzymatic,Non-enzymatic, Lipid oxidation รวมไปถึง การเจริญเติบโตของจุลินทรีย์

11. aw • ถ้าลด aw ของธัญพืชต่ำเกินไป (แห้งมาก ๆ) จะทำให้ธัญพืชนั้นเริ่มกรอบ เปราะ และมีรอยแตก ส่งผลให้คุณภาพตกต่ำและเสียงต่อการเข้าทำลายของหนอนแมลง เป็นต้น • นอกจากการลดปริมาณน้ำเพื่อลดค่า aw ในอาหารด้วยวิธีการทำแห้งแล้ว อาจใช้วิธีการอื่นเพื่อลดค่า aw ได้เช่นการแช่อิ่มหรือการทำเค็ม

13. ค่า aw ต่ำสุดสำหรับการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ก่อโรคต่าง ๆ (Pathogens).

14. ตัวอย่างของจุลินทรียและค่า aw ต่ำสุดที่มีผลต่ออาหารบางชนิด

15. Sorption Isotherm Moisture Content Desorption Adsorption 0.6 0.8 0 0.2 0.4 1.0 Water Activity (aw)

16. การวัดค่า aw • ไม่มีเครื่องมือใด ๆ ที่จะสามารถวัดค่า aw ของอาหารได้โดยตรง • การวัดค่า aw จะทำโดยการวัดค่าความชื้นของอากาศแวดล้อมในภาชนะปิดที่สภาวะความชื้นสมดุลของอาหารและของอากาศแวดล้อม แทน • วิธีการวัดทำได้ 2 แบบ คือ วิธีแบบสถิตย์ (Static) และแบบพลวัต (Dynamic)

17. อุปกรณ์ปิด ควบคุมอุณหภูมิได้ สารละลายเกลืออิ่มตัว อาหารตัวอย่างที่ต้องการหาค่า aw การวัดค่า awแบบสถิต • อาหารจะถูกทำให้อยู่ในสภาพสมดุลด้วยอากาศชื้นนิ่ง อาหารตัวอย่างซึ่งทำให้เหลือแต่มวลแห้ง (Dry matter) โดยผ่านการอบแห้งมาก่อนจะถูกวางอยู่ในภาชนะปิดซึ่งมีสารละลายเกลืออิ่มตัวบรรจุอยู่

18. ค่า aw ของสารละลายเกลืออิ่มตัวสำหรับอ้างอิง.ที่มา: AOAC, 1995.

19. การวัดค่า awแบบพลวัต • การหาค่า aw แบบพลวัตจะทำได้โดยการวัดค่าความชื้นสัมพัทธ์ของอาหารในภาชนะปิดด้วยด้วยเครื่องมือซึ่งสามารถวัดความชื้นสัมพัทธ์ของพื้นที่อากาศว่าง (Head space) ของอาหารด้วยเซ็นเซอร์แบบต่าง ๆ ที่นิยมใช้มี 2 แบบคือเซ็นเซอร์แบบตัวเก็บประจุ (Capacitance relative humidity sensor) กับเซ็นเซอร์แบบกระจกสะท้อนจุดอิ่มตัว (Chilled-mirror dewpoint sensor)

20. อุปกรณ์วัดค่า aw โดยวัดความชื้นแบบ Chilled-mirror dewpoint sensor ผลิตโดย Decagon Device, Inc.