Warum Wasseraktivität?

Die Nützlichkeit der Wasseraktivität als Maß für Qualität und Sicherheit wurde vorgeschlagen, als sich herausstellte, dass der Feuchtigkeitsgehalt Schwankungen im mikrobiellen Wachstum nicht ausreichend erklären konnte. Das Konzept der Wasseraktivität (aw) wird seit Jahrzehnten von Mikrobiologen und Lebensmitteltechnologen genutzt. Es ist das am häufigsten verwendete Kriterium für Sicherheit und Qualität.

Wasseraktivität: Es dreht sich alles um Energie

Was ist Wasseraktivität?

Nimm ein Glas Wasser und einen trockenen Schwamm. Tauche die Ecke des Schwamms in das Glas Wasser. Das Wasser wird aus dem Glas in den Schwamm fließen.

Die Wasseraktivität ist die Kraft, die bewirkt, dass das Wasser in den Schwamm eindringt. Um dies besser zu verstehen, denken Sie daran, wie sich das Wasser im Schwamm vom Wasser im Glas unterscheidet.

Das Wasser im Glas ist frei, aber das Wasser im Schwamm ist alles andere als frei. Es ist durch Wasserstoffbrückenbindungen, Kapillarkräfte und Van-der-Waals-London-Kräfte gebunden. Diese werden als Matrixeffekte bezeichnet. Das Wasser im Schwamm hat einen niedrigeren Energiezustand als das Wasser im Glas. Wasser fließt in den Schwamm hinein, aber um es wieder herauszubekommen, müssen wir Arbeit leisten, indem wir den Schwamm auspressen.

Das Wasser im Schwamm hat einen niedrigeren Dampfdruck, einen niedrigeren Gefrierpunkt und einen höheren Siedepunkt als das Wasser im Glas. Sie unterscheiden sich in einer Weise, die wir messen und quantifizieren können.

Die Energie des Wassers kann auch durch Verdünnung mit gelösten Stoffen verringert werden. Dies wird als osmotischer Effekt bezeichnet. Da Arbeit erforderlich ist, um das Wasser wieder in seinen reinen, freien Zustand zu versetzen, verringert sich dadurch auch die Wasseraktivität. Die gesamte Energieänderung ist die Summe aus Matrix- und osmotischem Effekt.

Die Wasseraktivität bestimmt die Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln.

Kombinieren Sie Cracker mit einem Wassergehalt von 20 % und Käsefüllung mit einem Wassergehalt von 30 %. Ein Rezept für matschige Cracker? Nicht, wenn beide Zutaten die gleiche Wasseraktivität aufweisen. Möchten Sie Klumpenbildung und Verklumpen in einer Gewürzmischung vermeiden? Passen Sie die Wasseraktivitäten der Komponenten aneinander an, und das Problem ist gelöst.

Der Vitaminabbau ist eine Funktion der Wasseraktivität. Das Gleiche gilt für die Lipidoxidation, die Knusprigkeit, die Kaubarkeit, die Weichheit und viele andere Qualitätsfaktoren. Der Feuchtigkeitsgehalt gibt Auskunft darüber, wie viel Wasser in einem Produkt enthalten ist, aber das ist auch schon alles. Er kann keine der anderen Qualitäts- und Sicherheitsaspekte vorhersagen.

Vorhersage von Sicherheit und Stabilität

Die Wasseraktivität sagt die Sicherheit und Stabilität in Bezug auf mikrobielles Wachstum, chemische und biochemische Reaktionsgeschwindigkeiten sowie physikalische Eigenschaften voraus. Abbildung 1 zeigt die Stabilität in Bezug auf mikrobielle Wachstumsgrenzen und Geschwindigkeiten von Abbaureaktionen als Funktion der Wasseraktivität.

Durch die Messung und Kontrolle der Wasseraktivität ist es möglich:

• Vorhersagen, welche Mikroorganismen potenzielle Ursachen für Verderb und Infektionen sind
• Die chemische Stabilität der Produkte aufrechterhalten
• Minimierung nicht-enzymatischer Bräunungsreaktionen und spontaner autokatalytischer Lipidoxidationsreaktionen
• Verlängern Sie die Aktivität von Enzymen und Vitaminen
• Optimieren Sie die physikalischen Eigenschaften von Produkten hinsichtlich Feuchtigkeitsmigration, Textur und Haltbarkeit.

Wie wird die Wasseraktivität gemessen?

Wenn wir eine Probe in einen versiegelten Behälter geben, gleicht sich die relative Luftfeuchtigkeit im Kopfraum mit der Wasseraktivität der Probe aus. Im Gleichgewicht sind beide Werte gleich, und wir können die relative Luftfeuchtigkeit im Kopfraum messen, um die Wasseraktivität der Probe zu ermitteln. Dies ist die zuverlässigste Antwort auf die Frage, wie man die Wasseraktivität misst.

Sekundäre Methoden: Hygrometer, Kapazitätssensoren

Wie frühe Wasseraktivitätsmesser verwenden auch die meisten modernen Geräte elektrische Kapazitäts- oder Widerstandshygrometersensoren, um die Feuchtigkeit im Kopfraum über der Probe zu messen.

Diese Messgeräte verwenden sekundäre Methoden: Sie setzen ein elektrisches Signal in Beziehung zur relativen Luftfeuchtigkeit und müssen mit bekannten Salzstandards kalibriert werden.

Bei diesen Sensoren entspricht die ERH nur dann der Wasseraktivität der Probe, wenn die Temperatur der Probe und des Sensors identisch sind. Für genaue Messungen ist eine gute Temperaturkontrolle oder -messung erforderlich. Kapazitätssensoren sind einfach aufgebaut und werden häufig in relativ kostengünstigen Wasseraktivitätsmessgeräten verwendet.

Der Taupunkt ist eine primäre Methode.

Die besten Methoden zur Beantwortung der Frage, wie die Wasseraktivität gemessen werden kann, sind Primärmethoden, die das Verhältnis p /p0 verwenden.P0 (der Sättigungsdampfdruck) hängt nur von der Temperatur der Probe ab (wie in der beigefügten Grafik dargestellt), sodass p0 durch Messen der Temperatur der Probe gemessen werden kann. P (der Dampfdruck des Wassers in der Probe) kann durch Messung des Dampfdrucks des Wassers im versiegelten Kopfraum über der Probe gemessen werden. Die genaueste Methode zur Messung dieses Dampfdrucks, die auf den Grundprinzipien basiert, ist die Messung des Taupunkts der Luft.

Primäre Methode bedeutet direkte Messung, keine Kalibrierung

Die Hauptvorteile der Taupunktmethode (oder gekühlten Spiegel-Taupunktmethode) sind Geschwindigkeit und Genauigkeit. Der gekühlte Spiegel-Taupunktsensor ist eine primäre Messmethode, die auf grundlegenden thermodynamischen Prinzipien basiert. Gekühlte Spiegel-Wasseraktivitätsmesser führen hochgenaue Messungen (_±0,_{003 aw}) durch, in der Regel in etwa 5 Minuten. Da die Messung auf der Temperaturbestimmung basiert, ist keine Kalibrierung erforderlich. Benutzer sollten eine Standard-Salzlösung messen, um die ordnungsgemäße Funktion des Geräts zu überprüfen. Bei einigen Anwendungen ermöglicht die Geschwindigkeit dieser Methode den Herstellern eine At-Line-Überwachung der Wasseraktivität eines Produkts.

Das AQUALAB 4TE verwendet die Methode des gekühlten Spiegels, die laut Fachliteratur die schnellste und genaueste Methode zur Bestimmung der Wasseraktivität auf dem Markt ist. Sehen Sie sich das Video an, um zu erfahren, wie es funktioniert.

Behördliche Vorschriften empfehlen die Verwendung von Wasseraktivität.

Die US-amerikanische Lebensmittelüberwachungs- und Arzneimittelbehörde (FDA) hat die Wasseraktivität in ihre Sicherheitsvorschriften aufgenommen. Diese Vorschriften enthalten detaillierte Anforderungen und Verfahren, um sicherzustellen, dass Produkte unter hygienischen Bedingungen hergestellt werden und rein, gesund und sicher sind. Die folgende Tabelle enthält Referenzangaben zu den Sicherheitsvorschriften der US-Regierung, in denen die Verwendung der Wasseraktivität empfohlen wird.

Wasseraktivität vereinfacht die Haltbarkeit

Ohne eine genaue, produktspezifische Haltbarkeitsdauer könnten Sie abgelaufene Produkte entsorgen, die noch gut sind. Oder Sie verkaufen noch nicht abgelaufene Produkte, die eigentlich schlecht sind. Sie könnten zu viel für Verpackungen bezahlen, die Ihrem Produkt nicht helfen. Oder Sie verzichten auf eine deutlich längere Haltbarkeitsdauer, die Sie mit einer besseren Verpackung erzielen könnten. Der Punkt ist, dass Sie es nicht genau wissen, weil Sie im Dunkeln tappen.

Warum werden dann nicht mehr Haltbarkeitstests durchgeführt?

In der Regel liegt das daran, dass eine echte, umfassende Haltbarkeitsprüfung eine gewaltige Aufgabe ist. Dabei spielen komplexe Zusammenhänge zwischen Feuchtigkeit, Temperatur und Produktversagensarten eine Rolle.

Es gibt viele Faktoren, die Ihr Produkt unsicher oder ungenießbar machen können – Schimmel, mikrobielles Wachstum, Ranzigkeit, Veränderungen in Textur oder Geschmack, Vitaminabbau. Die meisten Menschen verfügen nicht über das Fachwissen, um umfassende Haltbarkeitstests intern durchzuführen, und die Beauftragung eines externen Labors ist kostspielig.

Es gibt eine wissenschaftlich fundierte Alternative zu dieser Art von Haltbarkeitstests. Es handelt sich um die Haltbarkeit, vereinfacht durch Wasseraktivität. Sie liefert alle Daten, die Sie benötigen, um die Haltbarkeit Ihres Produkts anhand eines Experiments vorherzusagen, das sich jeder, selbst ein kleines Start-up-Unternehmen, leisten kann.

Haltbarkeit und Wasseraktivität

Wie vereinfacht die Wasseraktivität die Haltbarkeit?

1. Es beseitigt Ablenkungen. Wenn Sie die Wasseraktivität Ihres Produkts kennen, wissen Sie, welche Fehlermodi für dieses Produkt ein Problem darstellen.
2. Es vereinfacht die Vorhersage. Sie können Ihr Wasseraktivitätsmessgerät zusammen mit einer weiteren Messmethode (die von Ihrem jeweiligen Fehlermodus abhängt) verwenden, um ein einfaches internes Experiment durchzuführen, mit dem Sie die Haltbarkeit genau vorhersagen können.
3. Es standardisiert die Produktion. Sie können eine Wasseraktivitätsspezifikation festlegen, mit der Sie bei jeder Charge eine optimale Haltbarkeit erzielen.

Ihre Haltbarkeitsdaten können wertvolle Erkenntnisse liefern, die Ihnen helfen, Produktfehler zu vermeiden, die Haltbarkeit vorherzusagen und zu verlängern, die kostengünstigste Verpackung auszuwählen und vieles mehr.

Faktoren, die die Haltbarkeit beenden

Es gibt drei Hauptfaktoren, die die Haltbarkeit beeinflussen: mikrobielle Eigenschaften, chemische Veränderungen und physikalischer Verderb. Alle diese Faktoren stehen in Zusammenhang mit der Wasseraktivität.

Mikrobielles Wachstum

Mikroorganismen haben eine begrenzte Wasseraktivität, unterhalb derer sie nicht wachsen können. Nicht der Feuchtigkeitsgehalt, sondern die Wasseraktivität bestimmt die Untergrenze des für das Wachstum von Mikroorganismen „verfügbaren“ Wassers. Da Bakterien, Hefen und Schimmelpilze eine bestimmte Menge an „verfügbarem“ Wasser benötigen, um zu wachsen, ist die Entwicklung eines Produkts unterhalb einer kritischen Wasseraktivität ein wirksames Mittel, um das Wachstum zu kontrollieren.

Wasser kann selbst in hohen Konzentrationen in einem Produkt vorhanden sein, aber wenn sein Energieniveau ausreichend niedrig ist, können die Mikroorganismen das Wasser nicht entfernen, um ihr Wachstum zu unterstützen. Dieser „wüstenähnliche” Zustand führt zu einem osmotischen Ungleichgewicht zwischen den Mikroorganismen und der lokalen Umgebung. Folglich können die Mikroben nicht wachsen.

Schimmel und mikrobielles Wachstum sind die gefährlichsten Bedrohungen für die Haltbarkeit. Durch die Kontrolle der Wasseraktivität kann das mikrobielle Wachstum gehemmt oder verhindert, die Haltbarkeit verlängert und die sichere Lagerung einiger Produkte ohne Kühlung ermöglicht werden. Anhand klar definierter Tabellen können Sie einen Grenzwert für die Wasseraktivität Ihres Produkts festlegen und diesen bei Haltbarkeitstests verwenden.

Chemischer Abbau

Die Wasseraktivität beeinflusst die Geschwindigkeit chemischer Zersetzungsreaktionen, da Wasser als Lösungsmittel wirkt, selbst als Reaktionspartner auftreten kann oder durch seine Viskosität die Beweglichkeit der Reaktionspartner verändert. Beispielsweise nehmen nicht-enzymatische Bräunungsreaktionen mit steigender Wasseraktivität bis zu einem Maximum bei 0,6 bis 0,7_aw zu, und die Lipidoxidation wird von etwa 0,2 bis 0,3_aw minimiert. Die optimale chemische Stabilität liegt im Allgemeinen in der Nähe des Feuchtigkeitsgehalts der Monoschicht, wie aus Feuchtigkeitssorptionsisothermen ermittelt.

Physische Verschlechterung

Umgebungen mit hoher und (seltener) niedriger Luftfeuchtigkeit können die Wasseraktivität eines Produkts beeinflussen und zu unerwünschten Veränderungen der Textur oder der physikalischen Eigenschaften des Produkts führen sowie dessen Haltbarkeit verkürzen. Zu den Problemen zählen der Verlust der Knusprigkeit bei trockenen Produkten, das Verklumpen und Verbacken von Pulvern sowie die Zähigkeit oder Kaubarkeit bei feuchten Produkten. Die Ermittlung der kritischen Wasseraktivität für Ihr Produkt kann einige Nachforschungen erfordern, aber die Wasseraktivität macht dies wesentlich einfacher.

Verpackung, Versand und Lagerung

Veränderungen der Wasseraktivität während des Transports und der Lagerung können die Haltbarkeit erheblich beeinflussen. Die Wasseraktivität ist eine Funktion der Temperatur, und Transport- und Lagertemperaturen können die Wasseraktivität im Inneren der Verpackung beeinflussen. Vereinfachte Haltbarkeitstests können Ihnen dabei helfen, die beste Verpackung zu ermitteln und die Auswirkungen der Transport- und Lagerbedingungen auf die Haltbarkeit Ihres Produkts zu bewerten.

Isothermen zeigen Ihnen den optimalen Bereich für Ihre Wasseraktivität auf.

Produktänderungen im Laufe der Zeit vorhersagen

Lebensmittelhersteller müssen wissen, wie lange es dauert, bis ihr Produkt schimmelt, feucht wird, altbacken wird, ranzig wird, verklumpt, kristallisiert und für den Verbraucher ungenießbar wird. Die Feuchtigkeitsaufnahmeisotherme ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Vorhersage und Verlängerung der Haltbarkeit eines Produkts. Sie ermöglicht Ihnen Folgendes:

• Finden Sie kritische Wasseraktivitätswerte, bei denen Veränderungen wie Verklumpen, Verklumpen und Verlust der Textur auftreten.
• Vorhersage, wie das Produkt auf Änderungen der Inhaltsstoffe und der Rezeptur reagieren wird
• Die Haltbarkeit genau einschätzen
• Mischmodelle erstellen
• Verpackungsberechnungen durchführen
• Den Monoschichtwert ermitteln (bei dem ein Produkt am stabilsten ist)

Isothermen: der Heilige Gral der Rezepturentwicklung

Eine Feuchtigkeitsadsorptionsisotherme ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Wasseraktivität (_aw) verändert, wenn Wasser bei konstanter Temperatur an ein Produkt adsorbiert und von diesem desorbiert wird. Diese Beziehung ist komplex und für jedes Produkt einzigartig. Die Wasseraktivität steigt fast immer mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt, aber die Beziehung ist nicht linear. Tatsächlich sind Feuchtigkeitsadsorptionsisothermen für die meisten Lebensmittel S-förmig (sigmoidal) und für Lebensmittel, die kristalline Materialien oder einen hohen Fettgehalt enthalten, J-förmig.

Handgefertigte Methode unpraktisch

Die klassische Methode zur Erstellung einer Isotherme besteht darin, die Probe in einen Exsikkator mit einer Salzlösung bekannter Wasseraktivität zu geben, bis sich das Gewicht der Probe nicht mehr verändert. Anschließend wird die Probe gewogen, um den Wassergehalt zu bestimmen. Jede Probe ergibt einen Punkt auf der Isothermenkurve.

Da dieser Prozess sehr zeitaufwendig ist, wurden Kurven traditionell anhand von fünf oder sechs Datenpunkten mit Kurvenanpassungsgleichungen wie GAB oder BET erstellt.

Eine schnellere Methode zur Erstellung von Isothermen

Die manuelle Erstellung von Feuchtigkeitssorptionsisothermen ist sehr mühsam. Die Methode musste automatisiert werden. Die zuerst verwendete Methode – die auch heute noch von den meisten Dampfsorptionsgeräten verwendet wird – heißt DVS (Dynamic Vapor Sorption, dynamische Dampfsorption). Eine Probe wird einem Luftstrom mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, während eine Mikrowaage winzige Gewichtsveränderungen misst, wenn das Produkt Wasser adsorbiert oder desorbiert. Sobald ein Gleichgewicht erreicht ist, schaltet das Gerät dynamisch auf die nächste voreingestellte Feuchtigkeitsstufe um. Die Tests dauern zwischen zwei Tagen und mehreren Wochen.

Die DVS-Methode eignet sich gut zur Untersuchung der Sorptionskinetik – also dazu, was mit einem Produkt passiert, wenn es bestimmten Feuchtigkeiten ausgesetzt ist, und wie schnell es Wasser adsorbiert oder desorbiert. Die DVS-Methode ist jedoch nicht sehr hilfreich bei der Erstellung einer hochauflösenden Isothermenkurve, da jeder Gleichgewichtsschritt nur einen Punkt auf der Isothermenkurve erzeugt.

DDI-Isothermen zeigen, was bisher nicht zu sehen war

Die dynamische Taupunkt-Isothermenmethode (DDI) wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Sie erstellt hochauflösende Isothermen, die Details in den Adsorptions- und Desorptionskurven zeigen, indem sie sowohl die Wasseraktivität als auch den Feuchtigkeitsgehalt (alle 5 Sekunden) erfasst, während die Probe befeuchteter oder getrockneter Luft ausgesetzt wird. DDI-Diagramme enthalten Hunderte von Datenpunkten und zeigen bisher nicht sichtbare Details, wie z. B. kritische Punkte, an denen Verklumpungen, Verkrustungen, Zersetzung und Texturverlust auftreten.

Wie Isothermen entstehen

Das AQUALAB VSA liefert automatisch schnelle, hochauflösende DDI- und DVS-Isothermdiagramme, die Ihr Verständnis Ihres Produkts verändern werden. Zwei Testmodi und eine hochentwickelte Modellierungssoftware verwandeln Ihre Daten in die Lösungen, die Sie für die Herstellung, Überwachung, Lagerung und den Versand eines großartigen Produkts benötigen.

Isothermdaten in Lösungen umwandeln

Der VSA wird mit einer intuitiven, voll ausgestatteten Modellierungssoftware geliefert. Das Moisture Analysis Toolkit zeigt Ihnen, wie Sie Ihre Daten mithilfe von wissenschaftlich erprobten Vorhersagemodellen in Lösungen umwandeln können. Sie finden alle benötigten Modelle an einem Ort, übersichtlich in einem benutzerfreundlichen Programm organisiert.  Identifizieren Sie die kritische Feuchtigkeit für den Glasübergang, bewerten Sie die Verpackungsleistung, bestimmen Sie die Hygroskopizität, verfolgen Sie die Hysterese, sagen Sie den Ausfall von Beschichtungen voraus, ermitteln Sie die Anfälligkeit für Verklumpungen und vieles mehr.

Isothermen identifizieren kritische Wasseraktivitätswerte

Trotz doppelter Verpackung und strenger Temperaturvorgaben für die Lagerung hatte ein Hersteller von sprühgetrockneter Milch weiterhin Probleme mit Klumpenbildung.

Wenn der Glasübergang zum Problem wird

Wenn Milch sprühgetrocknet wird, bleiben die Zucker durch die schnelle Verdampfung in einem glasartigen Zustand. Glasartige Laktose hat völlig andere Eigenschaften als kristalline Laktose. Aufgrund ihrer geringen Beweglichkeit verklumpen die Partikel nicht, solange sich das Pulver in einem glasartigen Zustand befindet. Die kristalline Struktur ist ein Zustand mit niedrigerer Energie, sodass sich immer einige Moleküle im Übergang vom glasartigen zum kristallinen Zustand befinden. Probleme treten auf, wenn die Übergangsrate einen Wendepunkt erreicht.

Die Wasseraktivität sagt die Übergangsrate voraus.

Bei 0,30_aw kann es mehrere Jahre dauern, bis die gesamte Laktose kristallisiert ist. Bei 0,40_aw kann es einen Monat dauern. Oberhalb von 0,43 erfolgt der Übergang innerhalb weniger Stunden. Sobald die Laktose kristallisiert ist, ist das Milchpulver dauerhaft verändert. Es enthält eine völlig andere Menge an Wasser, löst sich nicht mehr auf und schmeckt nicht mehr richtig. Im Grunde genommen ist es unbrauchbar geworden.

DDI-Isothermen sagen den Glasübergangspunkt voraus

Der Glasübergangspunkt für Pulver wie sprühgetrocknete Milch kann mithilfe einer hochauflösenden DDI-Isotherme bestimmt werden. Herkömmliche Isothermen stützen sich auf Modelle, um die Isotherme zwischen den gemessenen Punkten zu vervollständigen. DDI-Isothermen messen Hunderte von Punkten und können Übergänge wie den Glasübergangspunkt für sprühgetrocknetes Milchpulver identifizieren.

Der Spitzenwert auf dem zweiten Ableitungsdiagramm der Isotherme identifiziert den kritischen Phasenübergangswert als 0,43_aw.

Routinemäßige, genaue Tests an der Fertigungslinie mit besseren Kontrollwerten halfen dem Hersteller, die Versandakzeptanzrate zu verbessern.

Mischmodelle erstellen

Ein Kuchenhersteller entwickelte ein Rezept für einen mit Creme gefüllten Kuchen. Die Bestandteile des Rezepts waren Zuckerguss (ca. 7 % Feuchtigkeit), Cremefüllung (12 %) und Kuchen (15 %). Die Feuchtigkeitswanderung während der Haltbarkeitsdauer hatte zuvor zu Texturproblemen geführt, wie z. B. altbackenem Kuchen, gummiartigem Zuckerguss und verflüssigter Cremefüllung, die in den Kuchen auslief.

Sehen Sie, wie sich Feuchtigkeit zwischen den Komponenten bewegt.

Die Feuchtigkeitsaufnahmeisothermen für jede Zutat zeigten, dass die Glasur – die trockenste Zutat – mit 0,79 die höchste Wasseraktivität aufwies. Die Wasseraktivitäten der Creme und des Kuchens waren ähnlich – 0,66 bzw. 0,61.

Vorhersage der Wasseraktivität des Endprodukts

Die Umwandlung von Isothermen in Chi-Diagramme ergab eine vorhergesagte Wasseraktivität des Endprodukts von 0,67, ein mikrobiologisch sicherer Wert für den Kuchen.

Vermeiden Sie unangenehme Überraschungen

Der Konditor backte den Kuchen erfolgreich und führte eine Geschmacksprüfung bei einer Gleichgewichtswasseraktivität (0,67) durch.

Verpackung auswählen

Einzelportionen von Getränkepulvern sind ein wachsendes Marktsegment. Die Verpackung macht mehr als 50 % der Rohstoffkosten für dieses Produkt aus. Das Hauptziel der Verpackung besteht darin, den_{Feuchtigkeitsgehalt} des Getränkepulvers_während der gesamten Haltbarkeitsdauer des Produkts unter dem kritischen_Wert zu halten.

Verpackungsberechnungen beginnen mit einem kritischen Wasseraktivitätswert. Die Möglichkeit, einen genauen Punkt aus dynamischen Taupunktisothermen (DDI) zu ermitteln, macht diese Art der Verpackungsberechnung möglich.

Diese Kurve zeigt den Glasübergangspunkt für eine bestimmte Getränkezusammensetzung:

Die kritische Wasseraktivität – der genaue Wendepunkt – für dieses Getränkepulver liegt bei 0,618 bei 25 °C.

Berechnen Sie die Leitfähigkeit des Pakets.

Mithilfe optimierter Verpackungsberechnungen (verfügbar in „Fundamentals of Isotherms“ und als Softwaretool) haben wir vier verschiedene Verpackungsarten für dieses Getränkepulver bewertet – die Originalverpackung und drei mögliche Alternativen. Unter extremen Feuchtigkeitsbedingungen (25 °C, 75 % Luftfeuchtigkeit) ergaben sich folgende Ergebnisse:

Formulierungsänderungen verstehen

Ein Tierfutterhersteller änderte die Rezeptur, um ein konservierungsmittelfreies Produkt herzustellen, dessen Wasseraktivität kontrolliert wird. Kurz nach der Einführung des Produkts kam es zu Rücksendungen aufgrund von Verderb.

Eine erste Auswertung ergab, dass die Verderbprognosen auf Wasseraktivitätstests basierten, die bei einer ungewöhnlich niedrigen Temperatur von 15 °C durchgeführt wurden. Isothermen bei 15 °C, 25 °C und 40 °C zeigten, dass bei Lagerung unter ungünstigen Bedingungen (wie es bei Tiernahrung häufig der Fall ist) ein Verderb wahrscheinlich war.

Die Isothermen lieferten ein vollständiges Prognosebild, sodass der Kunde das Problem mit einer neuen Formulierung lösen konnte.

Produktfehler untersuchen

Nach 13 problemlosen Ernten wurde die Ernte eines Pekannussbauern aufgrund von Schimmelproblemen abgelehnt. Zur Untersuchung des Problems wurde eine Isotherme erstellt.

Um mikrobielles Wachstum zu vermeiden, müssen die Pekannüsse auf 0,60_aw getrocknet werden. Wie die Isotherme zeigt, entspricht 0,60_aw einem Feuchtigkeitsgehalt von 4,8 % in Pekannüssen. Die Pekannuss-Isotherme ist in diesem kritischen Kontrollbereich ebenfalls recht flach, sodass eine geringe Schwankung des Feuchtigkeitsgehalts zu einer großen und potenziell gefährlichen Veränderung der Wasseraktivität führt.

Isotherm zeigt, dass die Spezifikationen zu niedrig angesetzt waren.

Die vollständige Isotherme zeigt, dass das Verfahren des Pekannussbauern nicht ausreichte, um die Sicherheit und Qualität seiner Ernte zu gewährleisten. Der Pekannussbauer maß den Feuchtigkeitsgehalt anhand des Trocknungsverlusts. Da seine Freigabespezifikation 5 % betrug und seine Genauigkeit ± 0,5 % lag, konnte der tatsächliche Wassergehalt der getrockneten Ernte zwischen 4,5 % und 5,5 % liegen.

Alles, von der Lagerung bei hoher Luftfeuchtigkeit bis hin zu unzureichender Verpackung, könnte dazu geführt haben, dass die Pekannüsse in unsichere Wasseraktivitäten geraten sind und dadurch verdorben sind.

Studien unter Verwendung dynamischer Taupunktisothermen (DDI)

Allan, Matthew und Lisa J. Mauer. „Vergleich von Methoden zur Bestimmung der Delikueszenzpunkte von einkristallinen Inhaltsstoffen und Mischungen.“ Food Chemistry 195 (2016): 29–38. doi:10.1016/j.foodchem.2015.05.042.

Allan, Matthew, Lynne S. Taylor und Lisa J. Mauer. „Common-ion effects on the deliquescence lowering of crystalline ingredient blends” (Auswirkungen gemeinsamer Ionen auf die Senkung der Zersetzbarkeit kristalliner Inhaltsstoffmischungen). Food Chemistry 195 (2016): 2–10. doi:10.1016/j.foodchem.2015.04.063.

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Anhang:

Wasseraktivität vs. Feuchtigkeitsgehalt

Die Wasseraktivität wird oft als kompliziertere Messgröße angesehen als der Feuchtigkeitsgehalt. Aber genaue, wiederholbare Messungen des Feuchtigkeitsgehalts sind nicht so einfach, wie es scheint.

Theoretisch ist die Messung des Feuchtigkeitsgehalts einfach. Man muss lediglich den Wasseranteil in einem Produkt bestimmen und diesen mit dem Gewicht aller anderen Bestandteile des Produkts vergleichen. Tatsächlich ist es jedoch ein schwieriger und komplexer Prozess, den genauen Wasseranteil in einem Produkt zu ermitteln. Hier sind die Gründe dafür.

Unterschiedliche Berichtsmethoden sorgen für Verwirrung

Der Feuchtigkeitsgehalt wird entweder auf Nass- oder Trockenbasis angegeben. Bei der Nassbasis wird die Wassermenge durch das Gesamtgewicht der Probe (Feststoffe plus Feuchtigkeit) geteilt. Bei der Trockenbasis wird die Wassermenge durch das Trockengewicht (nur Feststoffe) geteilt. Leider wird der Feuchtigkeitsgehalt oft nur als Prozentsatz angegeben, ohne dass angegeben wird, welche Methode verwendet wurde. Obwohl die Umrechnung zwischen Nass- und Trockenbasis einfach ist, kommt es zu Verwirrung und potenziellen Problemen, wenn Vergleiche zwischen Feuchtigkeitsgehalten auf unterschiedlicher Basis angestellt werden. Darüber hinaus kann der auf Trockenbasis angegebene Feuchtigkeitsgehalt tatsächlich zu einem Prozentsatz von mehr als 100 % führen, was zu weiterer Verwirrung führt.

Unterschiedliche Messmethoden machen Vergleiche unmöglich.

Die AOAC listet 35 verschiedene Methoden zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts auf. Diese werden entweder als direkte oder indirekte Messmethoden klassifiziert. Bei direkten Methoden wird das Wasser aus dem Produkt entfernt (durch Trocknen, Destillation, Extraktion usw.) und anschließend die Wassermenge durch Wiegen oder Titrieren gemessen. Direkte Methoden liefern die zuverlässigsten Ergebnisse, sind jedoch in der Regel arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Beispiele hierfür sind Trocknung im Lufttrockenschrank, Trocknung im Vakuumtrockenschrank, Gefriertrocknung, Destillation, Karl-Fischer-Methode, thermogravimetrische Analyse, chemische Trocknung und Gaschromatographie.

Bei indirekten Methoden wird das Wasser nicht aus der Probe entfernt. Stattdessen wird eine Eigenschaft des Lebensmittels gemessen, die sich mit dem Feuchtigkeitsgehalt verändert. Diese Methoden erfordern eine Kalibrierung anhand einer primären oder direkten Methode. Ihre Genauigkeit ist durch die Genauigkeit der primären Methode begrenzt. Indirekte Methoden sind in der Regel schnell und erfordern nur wenig Probenvorbereitung, sind jedoch weniger zuverlässig als direkte Messmethoden. Beispiele für indirekte Messmethoden sind Refraktometrie, IR-Absorption, NIR-Absorption, Mikrowellenadsorption, dielektrische Kapazität, Leitfähigkeit und Ultraschallabsorption.

Erschwerend kommt hinzu, dass die verschiedenen Messmethoden nicht unbedingt zu denselben Ergebnissen führen und die verwendete Messmethode in der Regel nicht zusammen mit dem Feuchtigkeitsgehalt angegeben wird.

Selbst direkte Messmethoden liefern keine konsistenten Ergebnisse. Jede Methode, bei der die Probe erhitzt werden muss (z. B. Trocknungsverlust), kann zum Verlust organischer flüchtiger Stoffe oder zur Zersetzung der Probe führen (insbesondere bei Proben mit hohem Zuckergehalt). Wenn beispielsweise organische flüchtige Stoffe in einer Probe vorhanden sind oder wenn sich die Probe während des Trocknens zersetzt, liefert eine Karl-Fischer-Analyse, die nicht anfällig für flüchtige Verluste oder Zersetzung ist, andere Ergebnisse als eine Trocknungsverlustanalyse.

Variabilität ist schwer zu vermeiden.

Eine Lösung für diese Probleme besteht darin, einfach eine einheitliche Methode zu verwenden und nur Werte zu vergleichen, die auf die gleiche Weise ermittelt wurden. Leider lässt sich durch eine einheitliche Messmethode für die Feuchtigkeitsanalyse nicht jedes Problem beseitigen. Betrachten wir beispielsweise den Trocknungsverlust. Diese Methode scheint recht einfach zu sein. Eine Probe wird gewogen und das Gewicht wird notiert. Die Probe wird dann in einen Ofen gegeben, getrocknet und das Trockengewicht gemessen. Die Wassermenge wird durch Abziehen des Trockengewichts vom Ausgangsgewicht bestimmt, und der Feuchtigkeitsgehalt wird dann als Wassermenge geteilt durch das Trockengewicht oder das Gesamtgewicht berechnet, je nach Berichtsmethode.

Selbst diese einfache Methode der Trocknungsverlustmessung birgt potenzielle Variabilitätsfallen. Die grundlegendste davon ist, dass der Begriff „trocken” keine echte wissenschaftliche Bedeutung hat und nie genau definiert wurde. Stattdessen muss für jede Probe eine willkürliche Trockenheit festgelegt werden, die reproduzierbar ist. „Trockenheit“ wird oft als der Punkt definiert, an dem der Gewichtsverlust endet. Thermogravimetrische Grafiken zeigen jedoch, dass der Gewichtsverlust bei verschiedenen Produkten bei unterschiedlichen Temperaturen abflacht. Außerdem variiert die Zeit, die zum Erreichen der „Trockenheit“ benötigt wird, je nach Produkt, und eine Temperatur, die bei einem Produkt „Trockenheit“ bewirkt, kann bei einem anderen Produkt zu einer Zersetzung führen. Das bedeutet, dass jede Probe eine einzigartige ideale Ofentemperatur und Trocknungszeit hat. Diese ideale Zeit-/Temperaturkombination ist für einige Produkte in der Literatur verfügbar, für viele andere jedoch nicht. Es ist schwierig zu wissen, welche Kombination für ungetestete Produkte verwendet werden soll. Wenn nicht dieselbe Zeit-/Temperaturkombination verwendet wird, sollten die resultierenden Feuchtigkeitsgehalte nicht verglichen werden.

Eine weitere Komplikation besteht darin, dass viele Öfen, die auf eine bestimmte Temperatur eingestellt sind, im Laufe der Zeit um bis zu 15 °C von dieser Temperatur abweichen können, und zwei Öfen, die auf die gleiche Temperatur eingestellt sind, können um bis zu 40 °C voneinander abweichen.

Weitere Ursachen für Abweichungen bei der Trocknungsverlustmethode sind: Ofendampfdruck, Probenvorbereitungsmethoden, Partikelgröße der Probe, Probenwägung und Behandlung nach dem Trocknen. Interessanterweise wird der in der Literatur angegebene Feuchtigkeitsgehalt nach Trocknungsverlust trotz der potenziellen Fallstricke sofort als korrekt akzeptiert. Darüber hinaus wird bei Vergleichen zwischen verschiedenen Methoden zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts, von denen eine die Trocknungsverlustmethode ist, immer davon ausgegangen, dass die Trocknungsverlustmessung korrekt ist.

Was bedeutet „trocken“?

Die Definition von „trocken“ wäre hilfreich, um einige der Unstimmigkeiten im Zusammenhang mit der Feuchtemessung zu beseitigen. Die beste Definition für „trocken“ wäre die Bestimmung der Wasseraktivität nach Ofentrocknung. Das Trockengewicht wäre dann das Gewicht der Probe, wenn sie diese ofentrockene Wasseraktivität erreicht hat. Unter üblichen Umgebungsbedingungen von 25 °C und 30 % relativer Luftfeuchtigkeit würde ein auf 95 °C eingestellter Ofen eine ofentrockene Wasseraktivität von 0,01 aw im Ofeninneren erzeugen, vorausgesetzt, dass der Dampfdruck im Ofen dem der Luft entspricht. Ein Ofen, der unabhängig von den Umgebungsbedingungen stets eine ofentrockene Wasseraktivität von 0,01 aw aufrechterhält, würde einen wissenschaftlich „trockenen” Zustand erzeugen. In einem solchen Ofen könnte jedes Produkt als trocken deklariert werden, sobald sich sein Gewicht nicht mehr verändert. Seine Wasseraktivität würde 0,01 aw betragen und sein Gewicht wäre das Trockengewicht. Der Dampfdruck und die Temperatur des Ofens könnten ebenfalls angepasst werden, um die Freisetzung flüchtiger Stoffe zu verhindern, solange die Wasseraktivität im Ofen bei 0,01 aw gehalten wird. Mit dieser Methode würden die Unstimmigkeiten beseitigt, die sich aus mehreren Messmethoden und einer unklaren Definition von „trocken” ergeben.

Eine genauere Feuchtigkeitsanalyse

Der Feuchtigkeitsgehalt liefert wertvolle Informationen über Ertrag und Menge und ist daher aus finanzieller Sicht wichtig. Er gibt auch Aufschluss über die Textur, da ein höherer Feuchtigkeitsgehalt die Beweglichkeit erhöht und die Glasübergangstemperatur senkt. Es kann jedoch schwierig sein, korrekte und konsistente Feuchtigkeitsgehaltswerte zu erhalten, und eine Feuchtigkeitsgehaltsmessung kann nicht ohne Informationen über die zur Ermittlung verwendeten Methoden für bare Münze genommen werden.  Weitere Probleme entstehen, wenn der Wassergehalt eines Produkts verwendet wird, um Aussagen zu treffen, die er nicht wirklich trifft, beispielsweise in Bezug auf Produktkonsistenz, Qualität oder mikrobielle Sicherheit. In diesen und anderen Fällen ist die Wasseraktivität die genauere Messgröße. Für eine vollständige Feuchtigkeitsanalyse sollten Lebensmittel- und Pharmazeutikaentwickler sowohl den Wassergehalt als auch die Wasseraktivität messen. Darüber hinaus können Feuchtigkeitssorptionsisothermen verwendet werden, um genau zu bestimmen, wo optimale Haltbarkeit, Textur, Sicherheit und Qualität erreicht und aufrechterhalten werden können.

Eine wissenschaftliche Definition der Wasseraktivität

Die Wasseraktivität leitet sich aus den Grundprinzipien der Thermodynamik und der physikalischen Chemie ab. Als thermodynamisches Prinzip gibt es Anforderungen an die Definition der Wasseraktivität, die erfüllt sein müssen. Diese Anforderungen sind: Reines Wasser (aw = 1,0) ist der Standardzustand, das System befindet sich im Gleichgewicht und die Temperatur ist definiert.

Im Gleichgewichtszustand

μ = μo + RT ln (f/fo)

wobei: μ (J mol-1) das chemische Potential des Systems ist, d. h. die thermodynamische Aktivität oder Energie pro Mol der Substanz; μo das chemische Potential des reinen Materials bei der Temperatur T (°K) ist; R ist die Gaskonstante (8,314 J mol-1 K-1); f ist die Fugazität oder die Entweichungsneigung einer Substanz; und fo ist die Entweichungsneigung des reinen Materials (van den Berg und Bruin, 1981). Die Aktivität einer Spezies ist definiert als a = f/fo. Bei Wasser wird für die Substanz ein Index angegeben.

_aw = f/fo

aw ist die Aktivität von Wasser oder die Entweichungsneigung von Wasser in einem System, geteilt durch die Entweichungsneigung von reinem Wasser ohne Krümmungsradius. Aus praktischen Gründen wird die Fugazität unter den meisten Bedingungen, unter denen Lebensmittel vorkommen, durch den Dampfdruck (f ≈ p) annähernd beschrieben, sodass

aw = f/fo ≅ p/po

Ein Gleichgewicht wird in einem System erreicht, wenn μ überall im System gleich ist. Das Gleichgewicht zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase bedeutet, dass μ in beiden Phasen gleich ist. Aufgrund dieser Tatsache kann die Wasseraktivität der Probe durch Messung der Dampfphase bestimmt werden.

Die Wasseraktivität ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks von Wasser in einem Material (p) zum Dampfdruck von reinem Wasser (po) bei gleicher Temperatur. Die relative Luftfeuchtigkeit ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks der Luft zu ihrem Sättigungsdampfdruck. Wenn Dampf- und Temperaturgleichgewicht erreicht sind, entspricht die Wasseraktivität der Probe der relativen Luftfeuchtigkeit der die Probe umgebenden Luft in einer versiegelten Messkammer. Durch Multiplikation der Wasseraktivität mit 100 erhält man die Gleichgewichtsrelative Luftfeuchtigkeit (ERH) in Prozent.

aw = p/po = ERH (%) / 100

Die Wasseraktivität ist ein Maß für den Energiestatus des Wassers in einem System. Es gibt mehrere Faktoren, die die Wasseraktivität in einem System beeinflussen:

1. Kolligative Effekte gelöster Stoffe (z. B. Salz oder Zucker) interagieren mit Wasser durch Dipol-Dipol-, Ionen- und Wasserstoffbrückenbindungen.
2. Kapillare Wirkung, bei der der Dampfdruck von Wasser über einem gekrümmten Flüssigkeitsmeniskus aufgrund von Veränderungen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen geringer ist als der von reinem Wasser.
3. Oberflächenwechselwirkungen, bei denen Wasser durch Dipol-Dipol-Kräfte, Ionenbindungen (HO oder OH), Van-der-Waals-Kräfte (hydrophobe Bindungen) und Wasserstoffbrückenbindungen3– direkt mit chemischen Gruppen auf ungelösten Inhaltsstoffen (z. B. Stärke und Proteinen) interagiert.

Es ist eine Kombination dieser drei Faktoren in einem Lebensmittelprodukt, die die Energie des Wassers reduziert und somit die relative Feuchtigkeit im Vergleich zu reinem Wasser verringert. Diese Faktoren lassen sich in zwei große Kategorien einteilen: osmotische und matricielle Effekte.

Aufgrund unterschiedlicher osmotischer und matricer Wechselwirkungen beschreibt die Wasseraktivität das Kontinuum der Energiezustände des Wassers in einem System. Das Wasser erscheint in unterschiedlichem Maße durch Kräfte „gebunden”. Es handelt sich dabei eher um ein Kontinuum von Energiezuständen als um eine statische „Gebundenheit”. Die Wasseraktivität wird manchmal als „freies“, „gebundenes“ oder „verfügbares Wasser“ in einem System definiert. Obwohl diese Begriffe leichter zu verstehen sind, können sie nicht alle Aspekte des Konzepts der Wasseraktivität angemessen definieren.

Die Wasseraktivität ist temperaturabhängig. Die Temperatur verändert die Wasseraktivität aufgrund von Veränderungen der Wasserbindung, der Dissoziation von Wasser, der Löslichkeit von gelösten Stoffen in Wasser oder des Zustands der Matrix. Obwohl die Löslichkeit von gelösten Stoffen ein entscheidender Faktor sein kann, erfolgt die Kontrolle in der Regel über den Zustand der Matrix. Da der Zustand der Matrix (glasartig vs. gummiartig) temperaturabhängig ist, sollte es nicht überraschen, dass die Temperatur die Wasseraktivität von Lebensmitteln beeinflusst. Die Auswirkung der Temperatur auf die Wasseraktivität eines Lebensmittels ist produktspezifisch. Bei einigen Produkten steigt die Wasseraktivität mit steigender Temperatur, bei anderen sinkt sie, während bei den meisten Lebensmitteln mit hohem Feuchtigkeitsgehalt die Temperatur nur eine vernachlässigbare Auswirkung hat. Daher lässt sich nicht einmal die Richtung der Veränderung der Wasseraktivität mit der Temperatur vorhersagen, da dies davon abhängt, wie die Temperatur die Faktoren beeinflusst, die die Wasseraktivität in Lebensmitteln steuern.

Als potenzielle Energiemessung ist sie eine treibende Kraft für die Wasserbewegung von Regionen mit hoher Wasseraktivität zu Regionen mit geringer Wasseraktivität. Beispiele für diese dynamische Eigenschaft der Wasseraktivität sind: Feuchtigkeitswanderung in Lebensmitteln mit mehreren Bereichen (z. B. Cracker-Käse-Sandwich), die Bewegung von Wasser aus dem Boden zu den Blättern von Pflanzen und der Zellturgordruck. Da mikrobielle Zellen hochkonzentrierte gelöste Stoffe sind, die von semipermeablen Membranen umgeben sind, ist der osmotische Effekt auf die freie Energie des Wassers wichtig für die Bestimmung der mikrobiellen Wasserverhältnisse und damit ihrer Wachstumsraten.

Eine leistungsstarke Messung für Qualitätssicherung/Qualitätskontrolle und Formulierung

Die Wasseraktivität ist ein thermodynamisches Maß für die Energie des Wassers in einem Produkt. Warum sollte Ihr Unternehmen lernen, wie man die Wasseraktivität misst? Sie steht in direktem Zusammenhang mit der mikrobiellen Anfälligkeit von Lebensmitteln. Außerdem hat sie einen direkten Einfluss auf viele der Reaktionen, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln beeinträchtigen. Da sie auf einer Skala mit einem bekannten Standard gemessen wird, eignet sie sich besonders gut als Sicherheits- und Qualitätsspezifikation.

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