النشاط المائي

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

في علم الأغذية، يُعرَّف النشاط المائي ( a <sub>w</sub> ) لمادة غذائية بأنه نسبة ضغط بخارها إلى ضغط بخار الماء عند نفس درجة الحرارة، وكلاهما عند حالة الاتزان. [ 1 ] الماء النقي له نشاط مائي يساوي واحدًا. بعبارة أخرى، يُمثل a<sub> w</sub> الرطوبة النسبية عند الاتزان (ERH) مُعبَّرًا عنها ككسر بدلًا من نسبة مئوية. مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد a <sub>w</sub> عادةً، باستثناء بعض المنتجات التي تحتوي على ملح أو سكر بلوري .

تنتقل المياه من المناطق ذات النشاط المائي العالي ( a <sub>w </sub> ) إلى المناطق ذات النشاط المائي المنخفض . على سبيل المثال، إذا تعرض العسل ( a<sub> w</sub> ≈ 0.6) لهواء رطب ( a <sub> w</sub> ≈ 0.7)، فإنه يمتص الماء من الهواء . أما إذا تعرض السلامي ( a <sub>w</sub> ≈ 0.87) لهواء جاف ( a <sub>w</sub> ≈ 0.5)، فإنه يجف ، مما قد يحفظه أو يفسده . تميل المواد ذات النشاط المائي المنخفض إلى دعم عدد أقل من الكائنات الدقيقة لأنها تجف بفعل انتقال الماء.

لا يُعدّ النشاط المائي مجرد دالة لتركيز الماء في الطعام. فالماء الموجود في الطعام يميل إلى التبخر، بينما يميل بخار الماء في الهواء المحيط إلى التكثف داخل الطعام. وعندما يتوازن هذان الميلان - ويكون كل من الهواء والطعام مستقرين - تُعتبر الرطوبة النسبية للهواء (معبّرًا عنها ككسر وليس كنسبة مئوية) هي النشاط المائي، a<sub> w</sub> . وبالتالي، فإن النشاط المائي هو النشاط الديناميكي الحراري للماء كمذيب والرطوبة النسبية للهواء المحيط عند حالة التوازن.

صيغة

تعريف الحرف w هو أw≡صص*{\displaystyle a_{w}\equiv {\frac {p}{p^{*}}}} حيث p هو ضغط بخار الماء الجزئي في حالة التوازن مع المحلول ، و p* هو ضغط بخار الماء النقي (الجزئي) عند نفس درجة الحرارة.

يمكن أن يكون التعريف البديل هو أw≡لwxw{\displaystyle a_{w}\equiv l_{w}x_{w}} حيث يمثل l w معامل نشاط الماء و x w هو الكسر المولي للماء في الجزء المائي.

العلاقة بالرطوبة النسبية : تُسمى الرطوبة النسبية للهواء المتوازن مع عينة ما أيضًا بالرطوبة النسبية المتوازنة، وعادةً ما تُعطى كنسبة مئوية. [ 2 ] وهي تساوي نشاط الماء وفقًا لـ هـRح=أw×100%.{\displaystyle \mathrm {ERH} =a_{w}\times 100\%.} يعتمد العمر الافتراضي المقدر الخالي من العفن (MFSL) بالأيام عند درجة حرارة 21  درجة مئوية على نشاط الماء وفقًا لـ [ 3 ].مFSل=107.91-8.1أw{\displaystyle \mathrm {MFSL} =10^{7.91-8.1a_{w}}}

الاستخدامات

يُعد النشاط المائي سمة مهمة لتصميم المنتجات الغذائية وسلامة الغذاء.

تصميم المنتجات الغذائية

يستخدم مصممو الأغذية نشاط الماء في تركيب الأطعمة التي تدوم لفترة أطول . إذا تم حفظ المنتج عند مستوى نشاط مائي أقل من حد معين، فإن نمو العفن يُثبط، مما يؤدي إلى إطالة مدة صلاحيته . [ 4 ]

تساعد قيم النشاط المائي أيضًا في الحد من انتقال الرطوبة داخل المنتجات الغذائية المصنوعة من مكونات مختلفة . فإذا تم تغليف الزبيب ذي النشاط المائي العالي مع رقائق النخالة ذات النشاط المائي المنخفض، فإن الماء ينتقل من الزبيب إلى رقائق النخالة بمرور الوقت، مما يجعل الزبيب قاسيًا ورقائق النخالة طرية. ويستخدم مصنّعو الأغذية النشاط المائي للتنبؤ بمدى تأثير انتقال الرطوبة على منتجاتهم.

سلامة الغذاء

يُستخدم نشاط الماء في كثير من الحالات كنقطة تحكم حرجة في برامج تحليل المخاطر ونقاط التحكم الحرجة (HACCP). تُؤخذ عينات من المنتج الغذائي دوريًا من منطقة الإنتاج وتُفحص للتأكد من أن قيم نشاط الماء تقع ضمن نطاق محدد لضمان جودة وسلامة الغذاء. يمكن إجراء القياسات في غضون خمس دقائق فقط، وتُجرى بانتظام في معظم منشآت إنتاج الأغذية الرئيسية.

لسنوات عديدة، حاول الباحثون ربط قدرة نمو البكتيريا بمحتوى الماء . ووجدوا أن هذه القيم ليست عامة، بل خاصة بكل منتج غذائي. وقد أثبت دبليو جيه سكوت لأول مرة في عام 1953 أن نمو البكتيريا يرتبط بنشاط الماء، وليس بمحتوى الماء. [ 5 ] ومن الثابت أن نمو البكتيريا يُثبط عند قيم محددة لنشاط الماء. وتستند لوائح إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للأغذية ذات الرطوبة المتوسطة إلى هذه القيم.

لا ينبغي اعتبار خفض النشاط المائي للمنتجات الغذائية خطوةً للقضاء على البكتيريا . فقد أظهرت الدراسات التي أُجريت على الحليب المجفف أن الخلايا الحية يمكن أن توجد عند مستويات نشاط مائي أقل بكثير، لكنها لا تنمو أبدًا. ومع مرور الوقت، تنخفض مستويات البكتيريا.

قياس

يتم الحصول على قيم نشاط الماء إما عن طريق مقياس الرطوبة الإلكتروليتي المقاوم، أو مقياس السعة ، أو مقياس نقطة الندى .

مقاييس الرطوبة الإلكتروليتية المقاومة

تستخدم مقاييس الرطوبة الإلكتروليتية المقاومة عنصر استشعار على شكل إلكتروليت سائل محصور بين قضيبين زجاجيين صغيرين بفعل الخاصية الشعرية. تتغير مقاومة الإلكتروليت عند امتصاصه أو فقدانه لبخار الماء. تتناسب المقاومة طرديًا مع الرطوبة النسبية للهواء، وبالتالي مع نشاط الماء في العينة (بعد الوصول إلى حالة التوازن بين البخار والسائل ). يمكن التحقق من هذه العلاقة إما عن طريق التحقق أو المعايرة باستخدام مخاليط ملحية مشبعة، والتي توفر رطوبة هواء محددة وقابلة للتكرار في حجرة القياس.

لا يمتلك هذا المستشعر أي تخلف فيزيائي كما هو الحال في مقاييس الرطوبة والمستشعرات السعوية، ولا يتطلب تنظيفًا دوريًا لأن سطحه ليس عنصر الاستشعار الفعال. من حيث المبدأ، تؤثر المواد المتطايرة على أداء القياس، وخاصة تلك التي تتفكك في الإلكتروليت وتغير مقاومته. يمكن تجنب هذه التأثيرات بسهولة باستخدام مرشحات الحماية الكيميائية التي تمتص المركب المتطاير قبل وصوله إلى المستشعر.

مقاييس الرطوبة السعوية

تتكون مقاييس الرطوبة السعوية من لوحين مشحونين يفصل بينهما غشاء بوليمري عازل . عندما يمتص الغشاء الماء، تزداد قدرته على الاحتفاظ بالشحنة ، ويتم قياس السعة. تتناسب هذه القيمة تقريبًا مع نشاط الماء كما هو محدد بواسطة معايرة خاصة بالمستشعر .

لا تتأثر مقاييس الرطوبة السعوية بمعظم المواد الكيميائية المتطايرة ، ويمكن أن تكون أصغر حجمًا بكثير من أجهزة الاستشعار البديلة الأخرى. لا تتطلب هذه المقاييس تنظيفًا، ولكنها أقل دقة من مقاييس الرطوبة بنقطة الندى (± 0.015 a w ). ينبغي إجراء فحوصات معايرة دورية لها، وقد تتأثر بالماء المتبقي في الغشاء البوليمري (التخلف).

مقاييس الرطوبة بنقطة الندى

يُظهر الخط الأحمر التشبع

ترتبط درجة الحرارة التي يتشكل عندها الندى على سطح نظيف ارتباطًا مباشرًا بضغط بخار الهواء. تعمل مقاييس الرطوبة بنقطة الندى عن طريق وضع مرآة فوق حجرة عينة مغلقة. تُبرّد المرآة حتى تُقاس درجة حرارة نقطة الندى بواسطة مستشعر بصري . تُستخدم هذه الدرجة بعد ذلك لتحديد الرطوبة النسبية للحجرة باستخدام جداول قياس الرطوبة .

تُعدّ هذه الطريقة نظرياً الأكثر دقة (± 0.003 a w ) وغالباً ما تكون الأسرع. ويتطلب المستشعر تنظيفاً إذا تراكمت عليه الأوساخ.

التوازن

في كلتا الطريقتين، يجب تحقيق التوازن بين الطورين البخاري والسائل في حجرة العينة. ويحدث هذا التوازن بمرور الوقت، أو يمكن تسهيله بإضافة مروحة داخل الحجرة. كما يجب تحقيق التوازن الحراري ما لم يتم قياس درجة حرارة العينة.

محتوى الرطوبة

يرتبط النشاط المائي بمحتوى الماء بعلاقة غير خطية تُعرف بمنحنى امتصاص الرطوبة . وتختلف هذه المنحنيات باختلاف المادة ودرجة الحرارة. ويمكن استخدامها للمساعدة في التنبؤ بثبات المنتج بمرور الوقت في ظروف تخزين مختلفة.

يُستخدم في التحكم في الرطوبة

يحدث تبخر صافٍ من محلول ذي نشاط مائي أعلى من الرطوبة النسبية للمحيط. بينما يحدث امتصاص صافٍ للماء من محلول ذي نشاط مائي أقل من الرطوبة النسبية للمحيط. لذا، في حيز مغلق، يمكن استخدام محلول مائي لتنظيم الرطوبة. [ 6 ]

تم تحديد قيم w

طعام
مادةأ ومصدر
الماء المقطر1.00[ 7 ]
تابا0.99
اللحوم النيئة0.99[ 7 ]
لبن0.97
عصير0.97
سلامي0.87[ 7 ]
لحم مقدد مطبوخ يدوم طويلاً< 0.85[ 8 ]
محلول كلوريد الصوديوم المشبع0.75
النقطة التي يفقد عندها الحبوب قرمشتها0.65
الفواكه المجففة0.60[ 7 ]
هواء داخلي نموذجي0.5 - 0.7
عسل0.5 - 0.7
زبدة الفول السوداني≤ 0.35[ 9 ]
الحد الأدنى من الحدود المسموح بها للكائنات الدقيقة
تثبيط الكائنات الدقيقةأ ومصدر
كلوستريديوم بوتولينوم إي0.97[ 10 ]
الزائفة المتألقة0.97[ 10 ]
المطثية الحاطمة0.95[ 10 ]
الإشريكية القولونية0.95[ 10 ]
كلوستريديوم بوتولينوم أ، ب0.94[ 10 ]
السالمونيلا0.93[ 11 ]
ضمة الكوليرا0.95[ 10 ]
بكتيريا العصوية الشمعية0.93[ 10 ]
الليستيريا المستوحدة0.92، (0.90 في 30% جلسرين)[ 12 ]
عصية رقيقة0.91[ 10 ]
المكورات العنقودية الذهبية0.86[ 13 ]
معظم القوالب0.80[ 13 ]
عدم تكاثر الميكروبات<0.60[ 10 ]

قابلية الكواكب الشمسية للحياة

الماء ضروري للحياة بجميع أشكالها المعروفة حاليًا على الأرض . فبدون الماء، لا يمكن للنشاط الميكروبي أن يحدث. وحتى لو أمكن حفظ بعض الكائنات الدقيقة في حالتها الجافة (مثلًا، بعد التجفيف بالتجميد )، فإن نموها غير ممكن بدون الماء.

تحتاج الكائنات الدقيقة أيضًا إلى مساحة كافية للنمو. في تكوينات البنتونيت شديدة التراص والطين العميق، يحدّ نقص المساحة من النشاط الميكروبي، كما أن نقل المغذيات إلى البكتيريا والتخلص من السموم الناتجة عن عمليات الأيض لديها يخضع لسيطرة الانتشار في مياه المسام. لذا، يُعدّ كلٌّ من "ضيق المساحة وقلة الماء" عاملين مُحدِّدين للنشاط الميكروبي في الرواسب العميقة. [ 14 ] وتنتهي عملية التحوّل الحيوي المبكر للرواسب أسفل قاع المحيط مباشرةً ، والمدفوعة بالنشاط الميكروبي (مثل بكتيريا اختزال الكبريتات )، عندما تصبح درجة التراص عالية جدًا بحيث لا تسمح بنمو الحياة الميكروبية. [ 15 ]

على سطح الكواكب وفي غلافها الجوي، لا تنطبق قيود الفضاء، وبالتالي فإن العامل المحدد النهائي هو توافر المياه وبالتالي نشاط المياه.

تتطلب معظم الكائنات الدقيقة المحبة للظروف القاسية كمية كافية من الماء لتكون نشطة. ويبلغ الحد الأدنى لنشاط الماء اللازم لنموها حوالي 0.6. وينطبق هذا الأمر على الكواكب الأخرى غير الأرض. بعد الاكتشاف المثير للاهتمام للفوسفين (PH3 ) في غلاف كوكب الزهرة الجوي ، وفي ظل غياب آلية كيميائية معروفة ومعقولة لتفسير تكوين هذا الجزيء، تم الاشتباه في وجود كائنات دقيقة معلقة في غلاف الزهرة الجوي، وقد صاغ غريفز وآخرون (2020) من جامعة كارديف فرضية التكوين الميكروبي للفوسفين ، متصورين إمكانية وجود نافذة صالحة للحياة في غيوم الزهرة على ارتفاع معين ضمن نطاق درجة حرارة مناسب للحياة الميكروبية. [ 16 ]

درس هالزورث وآخرون (2021) من كلية العلوم البيولوجية بجامعة كوينز بلفاست الظروف اللازمة لدعم حياة الكائنات الدقيقة المحبة للظروف القاسية في السحب على ارتفاعات عالية في غلاف كوكب الزهرة الجوي، حيث قد تسود ظروف حرارية مواتية. وبالإضافة إلى وجود حمض الكبريتيك في السحب، والذي يمثل تحديًا كبيرًا لبقاء معظم الكائنات الدقيقة، فقد خلصوا إلى أن غلاف كوكب الزهرة الجوي جاف جدًا لدرجة لا تسمح بوجود حياة ميكروبية. في الواقع، حدد هالزورث وآخرون (2021) نشاطًا مائيًا ≤ 0.004، أي أقل بمرتبتين من الحد الأدنى البالغ 0.585 للكائنات الدقيقة المحبة للظروف القاسية المعروفة. [ 17 ] لذا، مع نشاط مائي في سحب كوكب الزهرة أقل بمئة مرة من عتبة 0.6 المعروفة في ظروف الأرض، فإن الفرضية التي طرحها غريفز وآخرون... (2020) لتفسير الأصل البيولوجي للفوسفين في الغلاف الجوي لكوكب الزهرة مستبعد.

تشير القياسات المباشرة لغلاف كوكب الزهرة الجوي بواسطة المجسات الفضائية إلى ظروف قاسية للغاية، مما يجعل الزهرة على الأرجح عالماً غير صالح للسكن، حتى بالنسبة لأكثر أشكال الحياة تطرفاً المعروفة على الأرض. ويمثل انخفاض نشاط الماء بشكل كبير في غلاف الزهرة الجوي الجاف العامل المحدد للحياة، وهو أشد قسوة بكثير من الظروف القاسية للحرارة والضغط، أو وجود حمض الكبريتيك.

يرى علماء الأحياء الفلكية حاليًا أنه من الممكن إيجاد ظروف أكثر ملاءمة في غيوم كوكب المشتري، حيث يمكن أن يسود نشاط مائي كافٍ في الغلاف الجوي، شريطة توفر الشروط الأخرى الضرورية للحياة في نفس البيئة (إمدادات كافية من العناصر الغذائية والطاقة في وسط غير سام). [ 18 ] [ 19 ]

مراجع

  1. ↑ "نشاط الماء في الأطعمة" . إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. 3 نوفمبر 2018. مؤرشف من الأصل في 14 ديسمبر 2019. تم الاطلاع عليه في 3 يناير 2025 .
  2. ↑ يونغ، ليندا؛ كوفين، ستانلي ب. (2000). صناعة وجودة المخبوزات: التحكم في المياه وتأثيراتها . أكسفورد: بلاكويل ساينس. ISBN 978-0-632-05327-8.
  3. ↑ مان، سي إم دي؛ جونز، أدريان أ. (2000). تقييم مدة صلاحية الأطعمة . سبرينغر. ISBN 978-0-834-21782-9.
  4. ↑ الشؤون التنظيمية، مكتب التنظيم (2018-11-03). "نشاط الماء (aw) في الأطعمة" . إدارة الغذاء والدواء الأمريكية .
  5. ↑ سكوت، دبليو جيه (ويليام جيمس) (نوفمبر 1953). "علاقات الماء في المكورات العنقودية الذهبية عند 30 درجة مئوية". المجلة الأسترالية للعلوم البيولوجية . 6 (4): 549-564 . Bibcode : 1953AuJBS...6..549S . doi : 10.1071/BI9530549 .
  6. ↑ ديمتشيك، بي إتش (1984). "التحكم في رطوبة الغرفة". معلم العلوم . 51 (7): 29-31.
  7. 1 2 3 4 ماريانسكي، ستانلي؛ ماريانسكي، آدم (2008). فن صناعة النقانق المخمرة . دنفر، كولورادو: دار أوتسكيرتس للنشر. ISBN 978-1-4327-3257-8.
  8. ↑ "لحم الخنزير المقدد وسلامة الغذاء" . وزارة الزراعة الأمريكية، دائرة سلامة الأغذية والتفتيش. 29 أكتوبر 2013. مؤرشف من الأصل في 3 مايو 2009. تم الاطلاع عليه في 18 يونيو 2017 .
  9. ↑ هي، ي.؛ لي، ي.؛ سالازار، جيه كيه؛ يانغ، جيه.؛ تورتوريلو، إم إل؛ تشانغ، دبليو. (2013). "زيادة النشاط المائي يقلل من المقاومة الحرارية لبكتيريا السالمونيلا المعوية في زبدة الفول السوداني" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 79 (15): 4763-4767 . Bibcode : 2013ApEnM..79.4763H . doi : 10.1128/AEM.01028-13 . PMC 3719514. PMID 23728806 .  
  10. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 باربوسا-كانوفاس، ج.؛ فونتانا، أ.؛ شميدت، س.؛ لابوزا، ت.ب. (2007). "الملحق د: الحد الأدنى لنشاط الماء لنمو الكائنات الدقيقة". نشاط الماء في الأغذية: الأساسيات والتطبيقات . مطبعة إف تي بلاكويل. ص. الملحق د. doi : 10.1002/9780470376454.app4 . ISBN  9780470376454.
  11. ↑ شو، أنجيلا (2013).السالمونيلا : خلق بيئة غير مرغوب فيها على الإطلاق . أميس، آيوا: جامعة ولاية آيوا.
  12. ↑ رايزر، إليوت ت.؛ إلمر، مارث هـ. (2007). الليستيريا، داء الليستريات وسلامة الغذاء ( الطبعة الثالثة). مطبعة سي آر سي. الصفحات 173-174 .  
  13. 1 2 ماريانسكي ، 7
  14. ↑ ستروس-غاسكوين، س.؛ شيبرز، أ.؛ شوين، ب.؛ بولان، س.؛ سيرجنت، س.؛ سيمونوف، م.؛ لو ماريك، س.؛ ألتمان، س.؛ ناغاوكا، ت.؛ موكلير، ل.؛ ماكنزي، ج.؛ دوماس، س.؛ فينسو، أ.؛ بوكير، س.؛ ماتراي، ج. -م. (2007). "تحليل المجتمع الميكروبي لعينات لب الحفر الطيني من نوع أوبالينوس من مختبر مونت تيري للأبحاث تحت الأرض، سويسرا". مجلة علم الأحياء الدقيقة الجيولوجية . 24 (1): 1-17 . Bibcode : 2007GmbJ...24....1S . doi : 10.1080/01490450601134275 . ISSN 0149-0451 . S2CID 85250739 .  
  15. ^ ليروج، سي. جرانجيون، س.؛ غوشيه، المفوضية الأوروبية؛ تورناسات، سي. أغرينير، ب. جيروت، سي؛ ويدوري، د.؛ فليهوك، سي؛ ويلي، ج. رامبوز، سي. فينسوت، أ.؛ بوشارت، س. (2011). “السجل المعدني والنظائري للتكوين الحيوي وغير الحيوي لتشكيل الطين الكالوفي-أكسفورد من بوري (فرنسا)” (PDF) . Geochimica et Cosmochimica Acta . 75 (10): 2633–2663 . بيب كود : 2011GeCoA..75.2633L . دوى : 10.1016/j.gca.2011.02.025 . ISSN 0016-7037 . 
  16. ^ جريفز ، جين س. ريتشاردز، أنيتا MS؛ باينز، وليام. ريمر، بول ب. ساجاوا، هيديو؛ كليمنتس، ديفيد L.؛ سيجر، سارة؛ بيتكوفسكي، يانوش J .؛ سوزا سيلفا، كلارا؛ رانجان، سكريت؛ درابيك ماوندر، إميلي؛ فريزر، هيلين J.؛ كارترايت، أنابيل. مولر ودارج، إنجو؛ زان، تشوتشانغ؛ فريبيرج، لكل؛ كولسون، إيان. لي إليسا. هوج ، جيم (2020). “غاز الفوسفين في الطوابق السحابية لكوكب الزهرة” (PDF) . علم الفلك الطبيعة . 5 (7): 655–664 . أرخايف : 2009.06593 . بيب كود : 2021NatAs...5..655G . doi : 10.1038/s41550-020-1174-4 . ISSN 2397-3366 . S2CID 221655755 .  
  17. ↑ هالزورث، جون إي.؛ كوب، توماس؛ دالاس، تيفاني دي.؛ زورزانو، ماريا باز؛ بوركهارت، يورغن؛ غوليشينا، أولغا في.؛ مارتين توريس، خافيير؛ دايموند، ماركوس ك.؛ بول، فيليب؛ مكاي، كريستوفر ب. (2021). "نشاط الماء في سحب كوكب الزهرة غير الصالحة للسكن وفي أغلفة جوية لكواكب أخرى". مجلة نيتشر لعلم الفلك . 5 (7): 665-675 . Bibcode : 2021NatAs...5..665H . doi : 10.1038/s41550-021-01391-3 . hdl : 10261/261774 . ISSN 2397-3366 . S2CID 237820246 .  
  18. ↑ تيمر، جون (28 يونيو 2021). "سحب الزهرة جافة وحمضية للغاية بحيث لا تسمح بالحياة" . آرس تكنيكا . تم الاطلاع عليه في 1 يوليو 2021 .
  19. ↑ آموس، جوناثان (29 يونيو 2021). "سحب كوكب الزهرة جافة للغاية لدرجة لا تسمح بوجود حياة" . بي بي سي نيوز . تم الاطلاع عليه في 1 يوليو 2021 .

للمزيد من القراءة

  • رينيكيوس، غاري (1998). كتاب مصادر النكهات . برلين: سبرينغر. ISBN 978-0-8342-1307-4.
  • فينيما، أو آر، محرر. (1985). كيمياء الغذاء (  الطبعة الثانية). نيويورك: مارسيل ديكر، إنك. الصفحات 46-50 . 
  • بيل، إل إن؛ لابوزا، تي بي (2000). الجوانب العملية لقياس واستخدام منحنى امتصاص الرطوبة (الطبعة الثانية  ). إيغان، مينيسوتا: مطبعة AACC إيغان.