Wie Wasseraktivität und pH-Wert bei der Kontrolle des mikrobiellen Wachstums zusammenwirken
Wie Wasseraktivität und pH-Wert bei der Kontrolle des mikrobiellen Wachstums zusammenwirken
Die Verwendung von pH und aW kontrolliert Mikroben effektiver als nur eine der beiden Methoden. Hier erfahren Sie, wie Lebensmittelhersteller die Hürdentechnologie nutzen können, um ihre Rezepturen zu verbessern.
Die Wasseraktivität und der pH-Wert sind die beiden wichtigsten intrinsischen Faktoren, die bestimmen, ob ein Produkt das Wachstum eines verderblichen Mikroorganismus fördert. Wasseraktivität und pH-Wert wirken synergetisch, wobei ihre kombinierten Effekte bei der Kontrolle stärker sind als ihre Einzeleffekte. Dieser synergistische Effekt wird in der Hürdentechnologie für die mikrobielle Kontrolle detailliert beschrieben und ist ein wesentlicher Bestandteil der FDA-Definition von potenziell gefährlichen Lebensmitteln.
Hier erfahren Sie, wie Sie die kombinierte Kraft von Wasseraktivität und pH-Wert nutzen können, um die mikrobielle Kontrolle durch mildere Konservierungsverfahren zu verbessern, was zu einer verbesserten Produkttextur und -qualität führen kann.
Wie Wasseraktivität mikrobielles Wachstum verhindert
Wie alle Organismen sind auch Mikroorganismen für ihr Wachstum auf Wasser angewiesen. Sie nehmen Wasser auf, indem sie es durch die Zellmembran bewegen. Dieser Mechanismus der Wasserbewegung hängt von einem Wasseraktivitätsgradienten ab - Wasser bewegt sich von einer Umgebung mit hoher Wasseraktivität außerhalb der Zelle zu einer Umgebung mit niedrigerer Wasseraktivität innerhalb der Zelle.
Wenn die Wasseraktivität außerhalb der Zelle niedrig genug ist, verursacht dies osmotischen Stress: Die Zelle kann kein Wasser mehr aufnehmen und geht in den Ruhezustand über. Die Mikroorganismen werden nicht eliminiert, sie sind nur nicht mehr in der Lage, sich zu vermehren. Verschiedene Organismen bewältigen osmotischen Stress auf unterschiedliche Weise. Aus diesem Grund gibt es für jeden Organismus unterschiedliche Wachstumsgrenzen. Einige Schimmelpilz- und Hefearten haben sich so angepasst, dass sie sehr niedrige Wasseraktivitätswerte aushalten können.
Jeder Organismus hat eine bestimmte Wasseraktivität, bei der er sein Wachstum einstellt. Solange die Produktentwickler die Wasseraktivität unter diesem Grenzwert halten, kann sich die betreffende Mikrobe nicht so stark vermehren, dass sie eine Infektion oder Krankheit verursacht. Siehe Tabelle 1.
| aw | Bakterien | Schimmelpilz | Hefe | Typische Produkte |
|---|---|---|---|---|
| 0.97 | Clostridium botulinum E Pseudomonas fluorescens | Frischfleisch, Obst, Gemüse, Obstkonserven, Gemüsekonserven | ||
| 0.95 | Escherichia coli Clostridium perfringens Salmonella spp. Vibrio cholerae | Salzarmer Speck, gekochte Würste, Nasenspray, Augentropfen | ||
| 0.94 | Clostridium botulinum A, B Vibrio parahaemolyticus | Stachybotrys atra | ||
| 0.93 | Bacillus cereus | Rhizopus nigricans | einige Käsesorten, Wurstwaren (Schinken) Backwaren, Kondensmilch, ral flüssig Suspensionen, topische Lotionen | |
| 0.92 | Listeria monocytogenes | |||
| 0.91 | Bacillus subtilis | |||
| 0.90 | Staphylococcus aureus (anaerob) | Trichothecium roseum | Saccharomyces cerevisiae | |
| 0.88 | Candida | |||
| 0.87 | Staphylococcus aureus (aerob) | |||
| 0.85 | Aspergillus clavatus | gezuckerte Kondensmilch, gereifter Käse (Cheddar), fermentierte Wurst (Salami), Trockenfleisch (Jerky), Speck, die meisten Fruchtsaftkonzentrate, Schokoladensirup, Obstkuchen, Fondant, Hustensirup, Suspensionen zur oralen Schmerzlinderung | ||
| 0.84 | Byssochlamys nivea | |||
| 0.83 | Penicillium expansum Penicillium islandicum Penicillium viridicatum | Deharymoces hansenii | ||
| 0.82 | Aspergillus fumigatus Aspergillus parasiticus | |||
| 0.81 | Penicillium Penicillium cyclopium Bakterium patulum | |||
| 0.80 | Saccharomyces bailii | |||
| 0.79 | Penicillium martensii | |||
| 0.78 | Aspergillus flavus | Konfitüre, Marmelade, Marzipan, Glacefrüchte, Melasse, getrocknete Feigen, stark gesalzener Fisch | ||
| 0.77 | Aspergillus niger Aspergillus ochraceous | |||
| 0.75 | Aspergillus restrictus Aspergillus candidus | |||
| 0.71 | Eurotium chevalieri | |||
| 0.70 | Eurotium amstelodami | |||
| 0.62 | Saccharomyces rouxii | Trockenfrüchte, Maissirup, Lakritze, Marshmallows, Kaugummi, getrocknetes Tierfutter | ||
| 0.61 | Monascus bisporus | |||
| 0.60 | Keine mikrobielle Vermehrung | |||
| 0.50 | Keine mikrobielle Vermehrung | Karamellbonbons, Toffees, Honig, Nudeln, topische Salben | ||
| 0.40 | Keine mikrobielle Vermehrung | Volleipulver, Kakao, flüssiger Kern Hustenbonbon | ||
| 0.30 | Keine mikrobielle Vermehrung | Cracker, stärkehaltige Snacks, Backmischungen, Vitamintabletten, Zäpfchen | ||
| 0.20 | Keine mikrobielle Vermehrung | gekochte Bonbons, Milchpulver, Säuglingsnahrung |
Durch die Begrenzung des mikrobiellen Wachstums ist die Wasseraktivität ein hervorragendes Instrument zur Gewährleistung der Sicherheit von Lebensmitteln, und die Messung der Wasseraktivität kann als kritischer Kontrollpunkt in HACCP-Plänen verwendet werden.
Möglichkeiten für Synergien
Die Wachstumsgrenzen in Tabelle 1 setzen voraus, dass alle anderen Bedingungen (pH-Wert, Temperatur usw.) für das Wachstum des Organismus optimal sind. Wenn jedoch die wachstumsbegrenzenden Auswirkungen eines gesenkten pH-Werts mit einer Kontrolle der Wasseraktivität kombiniert werden, kann das mikrobielle Wachstum tatsächlich bei einer höheren Wasseraktivität als in der Tabelle angegeben kontrolliert werden.
Was ist der pH-Wert?
Der pH-Wert ist ein Maß für den Grad der Azidität oder Alkalität einer Lösung. Werte zwischen 0 und 7 bedeuten Säuregehalt, Werte zwischen 7 und 14 bedeuten Alkalität. Destilliertes Wasser, das neutral ist, hat einen pH-Wert von 7. Lebensmittel sind in der Regel entweder neutral oder sauer.
Mikroben haben pH-Wachstumsgrenzen
Wie bei der Wasseraktivität gibt es auch bei den Mikroorganismen pH-Grenzwerte, unterhalb derer sie nicht wachsen können. Tabelle 2 zeigt die Mindest-pH-Grenzwerte für das Wachstum verschiedener Arten von Mikroorganismen. Alle Mikroorganismen bevorzugen für ein optimales Wachstum einen neutralen pH-Wert, sie können jedoch auch bei saureren pH-Werten wachsen. Die meisten von ihnen stellen ihr Wachstum bei einem pH-Wert von 5,0 ein. Einige Mikroorganismen können bis zu einem Wert von 4,6 und sogar bis zu 4,4 wachsen. In der Vergangenheit galt ein pH-Wert von 4,6 als untere Wachstumsgrenze, aber Teile des Lebensmittelgesetzes wurden geändert, als man entdeckte, dass einige problematische Mikroben bei einem pH-Wert von nur 4,2 wachsen können.
| Mikroorganismen | Minimum | Optimal | Maximum |
|---|---|---|---|
| Clostridium perfringens | 5.5-5.8 | 7.2 | 8.9 |
| Vibrio vulnificus | 5 | 7.8 | 10.2 |
| Racillus cereus | 4.9 | 6-7 | 8.8 |
| Campylobacter spp. | 4.9 | 6.5-7.5 | 9 |
| Shigella spp. | 4.9 | 9.3 | |
| Vibrio parahaemolyticus | 4.8 | 7.8-8.6 | 11 |
| Clostridium botulinum-Toxin | 4.6 | 8.5 | |
| Wachstum von Clostridium botulinum | 4.6 | 8.5 | |
| Wachstum von Staphylococcus aureus | 4 | 6-7 | 10 |
| Staphylococcus aureus-Toxin | 4.5 | 7-8 | 9.6 |
| Entero-hämorrhagische Escherichia coli | 4.4 | 6-7 | 9 |
| Listeria monocytogenes | 4.39 | 7 | 9.4 |
| Salmonella spp. | 4.21 | 7-7.5 | 9.5 |
| Yersinia enterocolitica | 4.2 | 7.2 | 9.6 |
Verwendungszwecke für die pH-Einstellung
Da das Wachstum von Mikroorganismen begrenzt ist, ist die Senkung des pH-Werts eine wirksame Methode zur Konservierung von Lebensmitteln und zur Verhinderung des Wachstums von Mikroorganismen und kann auch als kritischer Kontrollpunkt in HAACP-Plänen verwendet werden. Außerdem passen einige Hersteller den pH-Wert an, um den Geschmack zu verändern. Dies geschieht häufig durch Pökeln oder Fermentieren, wobei mikrobielle Aktivitäten, enzymatische Reaktionen oder Säuren wie Essig zur Bildung von Milchsäure eingesetzt werden. Viele chemische Reaktionen sind pH-abhängig und können durch die Einstellung des pH-Wertes verhindert oder kontrolliert werden.
Wasseraktivität und pH-Wert - gemeinsam sind sie stärker
Die Auswirkungen von Wasseraktivität und pH-Wert können durch die Hürdentechnologie kombiniert werden, um Mikroorganismen wirksamer zu bekämpfen. Im Falle von Wasseraktivität und pH-Wert ist die kombinierte Wirkung beider Hürden größer als die Wirkung jeder einzelnen Hürde. Dies bedeutet, dass eine wirksame Kontrolle der Mikroorganismen bei Werten möglich ist, die normalerweise entweder für den pH-Wert oder für die Wasseraktivität allein als unsicher gelten würden. Der derzeit gültige Lebensmittelkodex 2013 enthält Tabellen zur Interaktion von pH-Wert und Wasseraktivität (siehe Tabellen 3 und 4), anhand derer bestimmt werden kann, ob ein Lebensmittel eine sichere Zeit- und Temperaturkontrolle (TCS) erfordert oder nicht.
| aw-Werte | pH-Wert: 4,6 oder weniger | pH-Wert:> 4,6-5,6 | pH-Wert:> 5,6 |
|---|---|---|---|
| 0,92 oder weniger | Nicht-TCS-Lebensmittel* | Nicht-TCS-Lebensmittel | Nicht-TCS-Lebensmittel |
| >0.92-0.95 | Nicht-TCS-Lebensmittel | Nicht-TCS-Lebensmittel | PA** |
| >0.95 | Nicht-TCS-Lebensmittel | PA | PA |
| aw-Werte | pH:< 4.2 | pH-Wert: 4,2-4,6 | pH-Wert:>4,6-5,0 | pH-Wert:> 5,0 |
|---|---|---|---|---|
| >0.88 | *Nicht-TCS-Lebensmittel | Nicht-TCS-Lebensmittel | Nicht-TCS-Lebensmittel | Nicht-TCS-Lebensmittel |
| 0.88-0.90 | Nicht-TCS-Lebensmittel | Nicht-TCS-Lebensmittel | Nicht-TCS-Lebensmittel | PA** |
| >0.90-0.92 | Nicht-TCS-Lebensmittel | Nicht-TCS-Lebensmittel | PA | PA |
| >0.92 | Nicht-TCS-Lebensmittel | PA | PA | PA |
Tabelle 3 gilt für Lebensmittel, die zur Abtötung von Mikroorganismen hitzebehandelt und dann verpackt wurden. Erniedrigte Wasseraktivität und pH-Wert sind keine Abtötungsschritte. Sie eliminieren keine Mikroorganismen. Sie verhindern lediglich das Wachstum von Mikroben in toxischen Mengen. Da die Wärmebehandlung alle Mikroorganismen mit Ausnahme von sporenbildenden Bakterien abtötet, können sie bei höheren Wasseraktivitäten und pH-Werten verpackt werden. Unter diesen Bedingungen gelten eine Wasseraktivität von 0,92 und ein pH-Wert von 4,6 oder höher als sicher.
Die interaktive Tabelle 4 wird für Produkte verwendet, die nicht wärmebehandelt sind oder die wärmebehandelt und unverpackt sind. In der Regel benötigen diese Produkte eine Wasseraktivität von weniger als 0,88 oder einen pH-Wert von weniger als 4,2, um als sicher zu gelten. Allerdings können auch höhere Werte akzeptabel sein, wenn Wasseraktivität und pH-Wert kombiniert werden.
Tabelle 5 zeigt die Wasseraktivität und den pH-Wert einiger gängiger Lebensmittel. Erdbeerkonfitüre hat eine sehr hohe Wasseraktivität, der pH-Wert ist jedoch recht niedrig. Aufgrund der vorhandenen Zitronensäure ist der pH-Wert niedrig genug, um ein mikrobielles Wachstum zu verhindern, obwohl die Wasseraktivität hoch ist. Senf hat ebenfalls einen sehr niedrigen pH-Wert, aber eine hohe Wasseraktivität. Diese Produkte sind wegen ihres pH-Werts sicher, nicht wegen ihrer Wasseraktivität. Ahornsirup enthält viel Zucker und hat daher eine geringere Wasseraktivität, aber sein pH-Wert ist ziemlich neutral. In diesem Fall ist es die Wasseraktivität, die für die Sicherheit sorgt, nicht der pH-Wert.
| Typ | Wasser Aktivität | pH-Wert |
|---|---|---|
| Erdbeerkonfitüre | 0.9874 | 3.7 |
| Gelber Senf | 0.9745 | 3.6 |
| Scharfe Soße | 0.9642 | 3.6 |
| Italienisches Mittelmeer-Dressing | 0.9628 | 3.8 |
| Ranch-Dressing | 0.9561 | 3.9 |
| Asiatisches geröstetes Sesam-Dressing | 0.9488 | 4.1 |
| Ketchup | 0.9440 | 3.6 |
| Mayonnaise | 0.9393 | 4.1 |
| Französisches Dressing | 0.9344 | 3.4 |
| Barbecue-Soße | 0.9333 | 3.8 |
Abbildung 1 zeigt, dass zwischen der Wasseraktivität und dem pH-Wert keine direkte Beziehung besteht, wenn man sie zusammen aufträgt. Wenn einem Produkt Säure zugesetzt wird, um den pH-Wert zu senken, hat dies eine gewisse Auswirkung auf die Wasseraktivität, da säurehaltige Stoffe in der Regel polar sind und bevorzugt mit Wasser wechselwirken. Aber im Grunde genommen wird durch die Senkung des pH-Werts die Wasseraktivität nicht direkt verringert.
Wie man die Wasseraktivität kontrolliert
Die gebräuchlichste Methode, die Wasseraktivität eines Produkts zu verringern, ist das Trocknen oder Backen des Produkts. (Beachten Sie jedoch, dass Sie dazu zunächst die Feuchtigkeits-Sorptionsisotherme des Produkts kennen müssen). Die Wasseraktivität kann auch durch Zugabe von Feuchthaltemitteln wie Salz, Zucker, Maissirup mit hohem Fructosegehalt, Sorbitol und Maltodextrin gesteuert werden.
Gängige Methoden zur pH-Kontrolle
Die gängigste Methode zur Senkung des pH-Werts ist die Fermentierung. Die Fermentierung beruht auf "guten" Bakterien, die Milchsäure produzieren, die dann den pH-Wert des Produkts senkt und das Wachstum anderer Arten von Organismen verhindert. Bei Essiggurken, Sauerkraut, fermentierten Würsten und Oliven wird diese Strategie angewandt. Der pH-Wert kann auch durch Zugabe von Säure (Essig, Milchsäure, Zitronensäure) direkt zum Produkt oder durch Zugabe von von Natur aus säurehaltigen Zutaten wie Tomaten in Spaghettisauce kontrolliert werden.
Wasseraktivität und pH-Wert - schnelle und einfache Messungen
Wasseraktivität und pH-Wert sind zwei Messungen, die besser zusammenpassen. Und beide sind mit handelsüblichen Wasseraktivitätsmessgeräten und pH-Messgeräten leicht zu messen.
Erfahren Sie mehr über Wasseraktivität und pH-Wert
In diesem Webinar erläutert Dr. Brady Carter die Theorie und Messung von Wasseraktivität und pH-Wert. Er beschreibt auch, wie diese Instrumente effektiv zusammen eingesetzt werden können, um ein Höchstmaß an Produktsicherheit zu erreichen.
