Definition der Wasseraktivität

Die Wasseraktivität (_aw) ergibt sich aus den Grundprinzipien der Thermodynamik und der physikalischen Chemie. Als thermodynamischer Grundsatz müssen bei der Definition der Wasseraktivität bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. 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)

Dabei ist μ (J ^mol-1) das chemische Potenzial des Systems, d. h. die thermodynamische Aktivität oder Energie pro Mol der Substanz; _μo ist das chemische Potenzial des reinen Materials bei der Temperatur T (°K); 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 Art ist definiert als a = _f/fo. Wenn es sich um Wasser handelt, wird ein tiefgestelltes Zeichen für die Substanz verwendet

_aw = _f/fo

_aw ist die Wasseraktivität oder die Tendenz des Wassers, aus dem System zu entweichen, geteilt durch die Tendenz von reinem Wasser ohne Krümmungsradius zu entweichen. Für praktische Zwecke wird die Fugazität unter den meisten Bedingungen, unter denen Lebensmittel vorkommen, durch den Dampfdruck(f ≈ p) angenähert, so dass

_aw = _f/fo ≅ _p/po

Das Gleichgewicht in einem System ist erreicht, wenn μ überall im System gleich ist. Gleichgewicht zwischen der flüssigen und der Dampfphase bedeutet, dass μ in beiden Phasen gleich ist. Diese Tatsache ermöglicht die Messung der Dampfphase zur Bestimmung der Wasseraktivität der Probe.

Die Wasseraktivität ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Dampfdruck von Wasser in einem Material(p) und dem Dampfdruck von reinem Wasser(_po) bei derselben Temperatur. Die relative Luftfeuchtigkeit ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Dampfdruck der Luft und ihrem Sättigungsdampfdruck. Wenn Dampf- und Temperaturgleichgewicht erreicht sind, ist die Wasseraktivität der Probe gleich der relativen Luftfeuchtigkeit der die Probe umgebenden Luft in einer abgedichteten Messkammer. Die Multiplikation der Wasseraktivität mit 100 ergibt die relative Gleichgewichtsfeuchte(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 steuern:

1. Kolligative Wirkungen gelöster Stoffe (z. B. Salz oder Zucker), die mit Wasser durch Dipol-Dipol-, Ionen- und Wasserstoffbindungen wechselwirken
2. Der Kapillareffekt, bei dem der Dampfdruck von Wasser über einem gekrümmten Flüssigkeitsmeniskus aufgrund von Veränderungen in der Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Wassermolekülen geringer ist als der von reinem Wasser
3. Oberflächenwechselwirkungen, bei denen Wasser direkt mit chemischen Gruppen auf ungelösten Bestandteilen (z. B. Stärke und Proteine) durch Dipol-Dipol-Kräfte, ionische Bindungen (^H3O+ oder OH-⁾, van der Waals-Kräfte (hydrophobe Bindungen) und Wasserstoffbrückenbindungen wechselwirkt

Es ist eine Kombination dieser drei Faktoren in einem Lebensmittel, die die Energie des Wassers und damit die relative Feuchtigkeit im Vergleich zu reinem Wasser verringert. Diese Faktoren können in zwei große Kategorien eingeteilt werden: osmotische und matrische Effekte.

Aufgrund unterschiedlich starker osmotischer und matrischer Wechselwirkungen beschreibt die Wasseraktivität das Kontinuum der Energiezustände des Wassers in einem System. Das Wasser scheint durch Kräfte in unterschiedlichem Ausmaß "gebunden" zu sein. Es handelt sich um ein Kontinuum von Energiezuständen und nicht um eine statische "Gebundenheit". Die Wasseraktivität wird manchmal als "freies", "gebundenes" oder "verfügbares Wasser" in einem System definiert. Diese Begriffe sind zwar einfacher zu fassen, aber sie können 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 steuernder Faktor sein kann, erfolgt die Steuerung in der Regel über den Zustand der Matrix. Da der Zustand der Matrix (glasig oder gummiartig) von der Temperatur abhängt, sollte es nicht überraschen, dass die Temperatur die Wasseraktivität des Lebensmittels beeinflusst. Der Einfluss der Temperatur auf die Wasseraktivität eines Lebensmittels ist produktspezifisch. Bei einigen Produkten nimmt die Wasseraktivität mit steigender Temperatur zu,_bei anderen nimmt sie mit steigender Temperatur ab, während sie sich bei den meisten Lebensmitteln mit hohem Feuchtigkeitsgehalt nur unwesentlich verändert. Man kann daher nicht einmal die Richtung der Veränderung der Wasseraktivität mit der Temperatur vorhersagen, da sie davon abhängt, wie die Temperatur die Faktoren beeinflusst, die die Wasseraktivität im Lebensmittel steuern.

Als Maß für die potenzielle Energie ist sie eine treibende Kraft für die Wasserbewegung von Regionen mit hoher Wasseraktivität zu Regionen mit niedriger Wasseraktivität. Beispiele für diese dynamische Eigenschaft der Wasseraktivität sind: Feuchtigkeitsmigration in Lebensmitteln mit mehreren Domänen (z. B. Cracker-Käse-Sandwich), die Bewegung von Wasser vom Boden zu den Blättern von Pflanzen und der Zellturgordruck. Da es sich bei mikrobiellen Zellen um hohe Konzentrationen gelöster Stoffe handelt, die von semipermeablen Membranen umgeben sind, ist die osmotische Wirkung auf die freie Energie des Wassers wichtig für die Bestimmung der Wasserverhältnisse der Mikroben und damit ihrer Wachstumsraten.

Beherrschen Sie die Grundlagen

In diesem 20-minütigen Webinar erhalten Sie einen Überblick über die wichtigsten Aspekte der Wasseraktivität. Sie werden lernen:

Was Wasseraktivität ist
-Wie sie sich vom Feuchtigkeitsgehalt unterscheidet
-Warum sie das mikrobielle Wachstum steuert
-Wie das Verständnis der Wasseraktivität Ihnen helfen kann, die Feuchtigkeit in Ihrem Produkt zu kontrollieren.