Untersuchung der Pulverstabilität: Physikalisch, chemisch und mikrobiell | AQUALAB

Die meisten Pulver können jedoch nach ihrer Molekularstruktur kategorisiert werden: amorph, kristallin oder eine Kombination aus beidem. Das Verhältnis von kristallin und amorph und die Art und Weise, wie sie miteinander interagieren, beeinflussen fast alle Eigenschaften des Pulvers.

Außerdem hat die Partikelgröße einen erheblichen Einfluss auf die Pulvereigenschaften (und die damit verbundenen Probleme). Überall dort, wo Pulverpartikel miteinander in Kontakt kommen, kann es zu einer Brückenbildung kommen - dem ersten Schritt zum Verklumpen und Verbacken. Je kleiner die Partikelgröße ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Brückenbildung, die zum Verkleben, dann zur Agglomeration und zu weiteren Problemen führt. Kristalline Pulver können besonders heikel sein, weil ihre geordnete Struktur (bis zu einem gewissen Grad) Feuchtigkeit nur an der Außenseite der Struktur haften lässt.

Forschungsergebnisse zeigen, dass das Mischen von zwei kristallinen Pulvern mit unterschiedlichen Partikelgrößen dazu führen kann, dass das Gemisch bei einer geringeren Wasseraktivität zerfließt (von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht), als dies bei den einzelnen Pulvern der Fall wäre. 

Amorphe Pulver neigen dazu, Risse und unregelmäßige Formen aufzuweisen, wodurch sich Wasser leichter an die Partikel binden kann.

Feuchtigkeitsgehalt, Wasseraktivität und Pulverisotherme

Es gibt zwei wichtige wasserbezogene Messungen: Feuchtigkeitsgehalt und Wasseraktivität. Beide sind wichtig, wenn man physikalische, chemische oder mikrobielle Stabilitätsprobleme in Pulvern kontrollieren will. 

Die meisten Menschen in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie sind mit dem Feuchtigkeitsgehalt vertraut. Für einige mag die Wasseraktivität ein neues Konzept sein. Der Feuchtigkeitsgehalt misst die Menge des Wassers. Die Wasseraktivität misst die Energie des Wassers, d. h., was kann das Wasser tun? Diese beiden Parameter werden auf völlig unterschiedliche Weise gemessen.

Der Feuchtigkeitsgehalt wird in Prozent der Gesamtmasse gemessen - er gibt also an, wie viel Wasser in der Probe enthalten ist, bezogen auf das Gewicht. 

Obwohl der Feuchtigkeitsgehalt eine beliebte Methode ist, ist sie nicht besonders präzise. Dies kann es schwierig machen, Probleme zu erkennen und zu lösen. Der Feuchtigkeitsgehalt allein kann kein vollständiges Bild liefern, insbesondere bei Pulvern.

Um die Wasseraktivität zu überprüfen, wird mit einem Gerät der Dampfdruck gemessen. Es kann hilfreich sein, sich die Wasseraktivität als die von einer Probe abgegebene Gleichgewichtsfeuchtigkeit vorzustellen.

Wasseraktivität wird oft fälschlicherweise mit "Wasserverfügbarkeit" gleichgesetzt. Das ist nicht ganz richtig. Die Wasseraktivität ist ein thermodynamischer Grundsatz - sie ist die Energie des Wassers. Das ist wichtig zu wissen, denn diese Energie kann für chemische Reaktionen, Texturänderungen und andere Reaktionen genutzt werden.

Wenn die Beziehung zwischen Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt grafisch dargestellt wird, nennt man das Ergebnis eine Isotherme. In den richtigen Händen kann eine Isotherme sehr viele wertvolle Informationen liefern. Unter anderem können sie:

• Aufzeigen der Wasseraktivitätsniveaus, bei denen Textur- und Strukturveränderungen beginnen (DDI-Isothermen)
• Zeigt den Punkt an, an dem ein Produkt beginnt, schneller mehr Feuchtigkeit aufzunehmen
• Identifizieren Sie die Molekularstruktur (amorph oder kristallin)
• Bestimmen, wie lange bestimmte Veränderungen oder Reaktionen dauern oder wie schnell sie ablaufen (DVS-Isothermen)

Schlüsselfaktoren der physischen Stabilität

Um die physikalische Stabilität von Pulvern zu verstehen, sind drei wichtige Faktoren zu berücksichtigen: Feuchtigkeit, Temperatur und Zeit.

Luftfeuchtigkeit

Feuchtigkeit hat einen großen Einfluss auf die physikalische Stabilität. Wasser kann ein Lösungsmittel oder ein Reaktionspartner sein - es kann sogar chemische Reaktionen puffern. Im Allgemeinen bedeutet mehr Feuchtigkeit schnellere Reaktionen, aber eine Isotherme kann von Fall zu Fall spezifische Informationen liefern.

Temperatur

Die Auswirkungen der Temperatur sind ähnlich wie die des Wassers: Veränderungen vollziehen sich schneller, wenn die Temperatur steigt (siehe Abbildung oben). Eine Erhöhung der Temperatur bedeutet, dass dem System Energie zugeführt wird, was mehr physikalische Veränderungen bei geringerer Wasseraktivität ermöglicht.

Zeit

Wenn man genügend Zeit hat, wird jeder Prozess zu Ende gehen. Einige Prozesse können so langsam ablaufen, dass sie nicht wahrnehmbar sind - zum Beispiel die Verformung von Scheiben in sehr alten Glasfenstern -, aber sie treten dennoch auf, selbst wenn Faktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit kontrolliert werden. 

Fallstudie zur physikalischen Stabilität: Verklumpen und Klumpenbildung in Gewürzmischungen

Wir wissen, dass der Grad der Wasseraktivität die Bewegung von Feuchtigkeit zwischen den Substanzen bestimmt. Aber wie viel bewegt sich, welche Gleichungen und Modelle können zur Vorhersage der Bewegung verwendet werden, und wie genau sind die Vorhersagen?

Das METER-Labor für Lebensmittelforschung und -entwicklung hat die folgenden Untersuchungen an sechs verschiedenen Gewürzmischungen durchgeführt, um Antworten auf die oben genannten Fragen zu geben.

Überblick über den Prozess:

1. Erzeugen einer Isotherme für jeden einzelnen Inhaltsstoff
2. Mischen Sie die Zutaten in bekannten Massenverhältnissen (siehe Tabelle unten)
3. Vorhersage des endgültigen Wasseraktivitätsniveaus für jede Mischung unter Verwendung der Isothermen, mathematischen Gleichungen und Koeffizienten
4. Messung der Wasseraktivität der einzelnen Gewürzmischungen nach der Äquilibrierung
5. Vergleich der Vorhersagen mit den Messungen

Feststellungen:

• Die Vorhersage der Maisstärke und des Zwiebelsalzes kam der tatsächlich gemessenen Wasseraktivität sehr nahe.
  • Beide Inhaltsstoffe haben eine feine Partikelgröße, was in der Regel zu mehr Partikelkontakt und einer schnelleren Ausbalancierung führt.
• Auch die Vorhersagen für andere Gewürzmischungen waren sehr genau.
• Die ungenaueste Vorhersage im Test kam von der Mischung aus Salbei, Kümmel und Oregano. Sie lag jedoch immer noch bemerkenswert nahe, nämlich 0,05 niedriger als die schließlich gemessene Wasseraktivität.

Der in dieser Fallstudie beschriebene Prozess kann für jeden Lebensmittelwissenschaftler hilfreich sein, insbesondere für diejenigen, die unter dem Druck stehen, schnell neue Produkte zu formulieren. Die Modelle, Werkzeuge und Gleichungen können Aufschluss über die endgültigen Eigenschaften von Trockenstoffmischungen geben, bevor sie gemischt werden. 

Es kann einige Zeit in Anspruch nehmen, eine Bibliothek von Isothermen zu erstellen. Sobald sie jedoch erstellt sind, können die Formulierer mit Rezepturanpassungen experimentieren, die endgültige Haltbarkeit und die Wasseraktivität im Gleichgewicht vorhersagen und Verpackungsentscheidungen vom Schreibtisch aus treffen - ohne physikalische Studien durchführen zu müssen.

Schlüsselfaktoren für die chemische Stabilität

Hersteller müssen sich darüber im Klaren sein, wie sich die Wasseraktivität auf die chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten auswirken kann - und welche Reaktionen die Haltbarkeit ihres Produkts beenden. Ohne ein fundiertes Verständnis der chemischen Stabilität ist es leicht, größere Vorteile zu versprechen, als ein Produkt tatsächlich bietet.

Die Verfolgung chemischer Reaktionsraten kann kompliziert sein, aber es ist möglich. Oft liegt es am Hersteller zu entscheiden, wann die Haltbarkeitsgrenze erreicht ist. Um diesen Zeitpunkt genau zu bestimmen, sind einige der in der obigen Fallstudie erwähnten Informationen zur Vorhersage der Haltbarkeit erforderlich. 

Fallstudie zur chemischen Stabilität: Abbau von Vitamin C

Wie kann ein Hersteller von Nahrungsergänzungsmitteln die idealen Lagerbedingungen bestimmen? Wie schnell wird ein bestimmter Inhaltsstoff abgebaut, und wann entspricht das Produkt nicht mehr den Angaben auf dem Etikett?  

Die im Folgenden beschriebene Forschung, die vom METER Food R&D Lab durchgeführt wurde, kann zur Beantwortung dieser Fragen beitragen. Die Studie wurde mit Vitamin C (Ascorbinsäure) durchgeführt, aber die Grundsätze und Techniken gelten für jede Substanz, die sich mit der Zeit abbauen oder reagieren kann.

Während der Studie wurde Ascorbinsäure zwei verschiedenen Wasseraktivitätsstufen und drei verschiedenen Temperaturen ausgesetzt. Der Abbau wurde mit Hilfe der UV-Vis-Spektroskopie verfolgt, und die Abbaurate wurde berechnet. Ziel war es herauszufinden, wie sich Temperatur und Wasseraktivität auf die Abbaugeschwindigkeit auswirken. 

Zunächst entschied das Team, welche Temperaturen (30˚, 40˚ und 50˚ C) und Wasseraktivitätswerte (0,76_aw und 0,948_aw) angestrebt werden sollten. Dann legten sie fest, wann die Haltbarkeit als beendet gilt - in diesem Fall, wenn noch 75 % der ursprünglichen Menge an Vitamin C vorhanden sind. Sie gaben die erforderlichen Informationen in das Moisture Analysis Toolkit ein und führten eine beschleunigte Haltbarkeitsstudie durch, die zu folgenden Ergebnissen führte:

Schlüsselfaktoren für die mikrobielle Stabilität

Die Wasseraktivität ist ein hervorragendes Mittel zur Begrenzung des mikrobiellen Wachstums. Bei einer Wasseraktivität von unter 0,6 wächst nichts mehr. 

Diese Tatsache vermittelt vielen Herstellern ein falsches Sicherheitsgefühl - sie glauben, dass eine mikrobielle Verunreinigung ihres Produkts nicht zu befürchten ist, wenn es eine geringe Wasseraktivität aufweist. Dies ist eine gefährliche Auffassung, die zu zahlreichen Rückrufen und Ausbrüchen bei Lebensmitteln wie Erdnussbutter, Mehl und Babynahrung geführt hat. 

Die Wasseraktivität kann mikrobielles Wachstum verhindern, ist aber keine tödliche Maßnahme. Mikroben mit geringer Wasseraktivität können in Stase überleben. Wenn sie einer Umgebung mit höherer Wasseraktivität ausgesetzt werden - z. B. wenn Mehl in den Keksteig gemischt wird - können sie beginnen, sich zu vermehren und gefährlich werden. 

Ein Produkt mit geringer Wasseraktivität kann sicher sein, ist aber nicht unbedingt steril.

Obwohl es viele Hürden und Vorsichtsmaßnahmen für die mikrobielle Kontrolle gibt, bleibt das Thema kompliziert und schwierig. Die Forschung zur Sterilisierung oder Pasteurisierung von Lebensmitteln mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt ist noch nicht abgeschlossen. Im Moment sind strenge Hygienemaßnahmen der effektivste Weg, um eine Kontamination zu verhindern und die mikrobielle Stabilität zu gewährleisten.

Weitere Ressourcen

Wenn Sie mehr über Pulver wissen möchten, sehen Sie sich das kostenlose On-Demand-Webinar unten an. Darin gehen Dr. Zachary Cartwright und Mary Galloway näher auf Pulverfluss, Anbackungen, Molekularstruktur und Isothermen ein.