Wasseraktivität in funktionellen Lebensmitteln

Lycopin-reiche Tomaten. CBD-angereicherte Desserts. Superfoods wie Heidelbeeren und Granatapfelkerne. Vitamin-D-angereicherte Milch. Funktionelle Lebensmittel gibt es in vielen Formen, aber sie verfolgen alle das gleiche Ziel: die Vorbeugung von Krankheiten und die Verbesserung der Gesundheit durch unsere tägliche Ernährung.

Behalten Sie die Vorteile

Alle Lebensmittel enthalten Makro- und Mikronährstoffe, die zur Gesundheit beitragen. Funktionelle Lebensmittel enthalten aber noch mehr: Verbindungen, die einen spezifischen Nutzen für die Gesundheit oder eine krankheitsbekämpfende Funktion haben. Unabhängig davon, ob diese Verbindung natürlich vorkommt oder einem Produkt zugesetzt wurde, stehen funktionelle Lebensmittel, die wegen ihrer Vorteile beworben werden, vor einer einzigartigen Herausforderung: die Festlegung einer Haltbarkeitsdauer, die nicht nur die Sicherheit, sondern auch die Wirksamkeit des funktionellen Inhaltsstoffs garantiert.

Schutz des funktionellen Inhaltsstoffs

Funktionelle Inhaltsstoffe sind in der Regel sehr zersetzungsanfällig. Licht, Hitze, Feuchtigkeit und der pH-Wert beeinflussen alle die Abbaugeschwindigkeit. Wenn ein funktioneller Inhaltsstoff als Teil eines lagerstabilen Produkts beworben wird, müssen die Hersteller die Auswirkungen des pH-Werts und der Wasseraktivität auf die Wirksamkeit dieses Inhaltsstoffs im Laufe der Zeit kennen. Die Wasseraktivität des Produkts ist eines der wichtigsten Kriterien, die bei der Formulierung und Herstellung berücksichtigt werden müssen, um sicherzustellen, dass die versprochenen gesundheitlichen Vorteile auch tatsächlich eintreten.

Die Auswirkungen von Feuchtigkeit

Wenn funktionelle Zutaten in Getränken enthalten sind, kann der Abbau schnell erfolgen. Zum Beispiel, Abbildung 1 

zeigt die Veränderung der Konzentration eines mit Vitamin C angereicherten Orangensaftes. Im Laufe von vier Wochen sinkt die Konzentration um bis zu 50 % (Nutraceutical Business Review, 2018). Viele Vitamine und Probiotika werden in ähnlicher Weise beeinträchtigt, wenn sie einer feuchten Umgebung ausgesetzt sind (Turkmen, Priyashantha und Jayarathna, 2019). 

Es ist möglich, den Abbau zu verlangsamen, indem man die Wasseraktivität (Aw) des funktionellen Lebensmittels verringert. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Herstellung eines funktionellen Lebensmittels mit dem Monolayer-Wert - dem Wert, bei dem ein Lebensmittel aus Sicht der Feuchtigkeit am stabilsten ist. Aber was genau ist der Monolayer-Wert, und ist er etwas, das die meisten Hersteller anstreben sollten?

Stabilität der Monolage

Die Monolage ist ein theoretisches Konzept, das 1938 von einem Physiker-Trio (Stephen Brunauer, Paul Emmett und Edward Teller) postuliert wurde. Die Theorie, die sich auf ein poröses Lebensmittelmedium bezieht, besagt, dass bei der Hydratation eines völlig trockenen Materials ein Punkt erreicht wird, an dem Wassermoleküle die Oberfläche jedes Partikels des Produkts ein Molekül dick überziehen. Theoretisch ist ein Produkt dann am stabilsten, wenn jedes Teilchen mit Wassermolekülen überzogen ist, und zwar gerade noch so. Bei Produkten mit hohem Proteingehalt kann viel Wasser absorbiert werden, bevor die Monoschicht erreicht ist, da Proteine viele Falten aufweisen und eine große Fläche pro Masseneinheit zu beschichten ist. Kristalliner Zucker hingegen ist ein einfacher Würfel mit fast keiner zu beschichtenden Fläche pro Masseneinheit.

Die Produkte können unterschiedlich viel Wasser aufnehmen, aber bei den meisten Produkten ist die erste Schicht - die Monoschicht - bei einer ziemlich konstanten Wasseraktivität von 0,3 aw vollständig. Einige der Produkte, die typischerweise in diesem Wasseraktivitätsbereich zu finden sind, sind Frühstückszerealien, Mehl und Nudeln. Es überrascht nicht, dass diese sehr haltbaren Produkte seit den 1940er Jahren die bevorzugte Methode für Anreicherungsprogramme in den USA sind (Institute of Medicine (US) Committee, 2003). 

Für eine frischere Textur

Warum werden also nicht alle funktionellen Lebensmittel mit ihrem Monolayer-Wert hergestellt? Ganz einfach, weil die modernen Verbraucher eine andere Art von funktionellen Lebensmitteln wünschen: etwas Weicheres, Frischeres und Natürlicheres, das trotzdem verzehrfertig ist. Die Hersteller stellen lagerstabile funktionelle Lebensmittel mit einer viel höheren Wasseraktivität her. Würde man sie auf ihren Monolayer-Wert heruntertrocknen, wären sie trocken und unansehnlich. Bei diesen höheren Wasseraktivitäten wird die Formulierung zu einem komplexen Balanceakt, um die Haltbarkeit des funktionellen Inhaltsstoffs zu maximieren und gleichzeitig das Produkt weich und frisch im Geschmack zu halten. 

Degradationsraten verfolgen

Die Wasseraktivität spielt bei diesem Balanceakt eine wesentliche Rolle. Für die Formulierer ist es eine große Hilfe, die Abbaugeschwindigkeit des funktionellen Inhaltsstoffs mit der Wasseraktivität in Beziehung zu setzen. Obwohl die Abbaugeschwindigkeit mit der Wasseraktivität korreliert ist, gibt es bei verschiedenen Inhaltsstoffen unterschiedliche Beziehungen. Viele Vitamine zum Beispiel werden schneller abgebaut, wenn die Wasseraktivität zunimmt (siehe zum Beispiel Lavelli, Zanoni und Zaniboni, 2007; Sablani, Al-Belushi, Al-Marhubi und Al-Belushi, 2007). Andere Inhaltsstoffe, wie Probiotika, haben bestimmte Bereiche, in denen sie ihre maximale Stabilität erreichen. Die Optimierung der Wasseraktivität kann die Haltbarkeit von Tagen auf Monate verlängern.

Optimieren Sie die Lagerfähigkeit

Je natürlicher das funktionelle Lebensmittel ist, desto größer ist die Rolle, die die Wasseraktivität spielen kann. Bei Trockenfrüchten beispielsweise wirkt sich die Wasseraktivität des funktionellen Produkts nicht nur auf die Haltbarkeit der funktionellen Zutat aus, sondern auch auf die Anfälligkeit für Schimmelpilzwachstum und Qualitätsmerkmale wie die Textur. Handelt es sich bei einem funktionellen Lebensmittel um eine Kombination aus zwei oder mehr natürlichen Zutaten, kommt auch die Feuchtigkeitsmigration ins Spiel. 

Unabhängig vom jeweiligen Produkt kann die positive Wirkung jedes haltbaren funktionellen Lebensmittels nur dann auf höchstem Niveau erhalten werden, wenn die grundlegenden Prinzipien der Wasseraktivität verstanden und angewendet werden. 

Referenzen

Nutraceutical Business Review. "Abbau von Vitaminen, Probiotika und anderen Wirkstoffen durch Einwirkung von Hitze, Wasser und Sonnenlicht". August 7, 2018. 

Turkmen, Nazli, Hasitha Priyashantha, und Shishanthi Jayarathna. "Challenges in Probiotic Dairy-Based Beverages". New Food Magazine, Oktober 26, 2019. https://www.newfoodmagazine.com/article/97303/challenges-in-probiotic-d....

Institute of Medicine (US) Committee on Use of Dietary Reference Intakes in Nutrition Labeling. "Dietary Reference Intakes: Guiding Principles for Nutrition Labeling and Fortification" (Leitprinzipien für die Nährwertkennzeichnung und Anreicherung). Washington (DC): National Academies Press (US); 2003.

Shyam S. Sablani, K. Al-Belushi, I. Al-Marhubi & R. Al-Belushi (2007) Evaluating Stability of Vitamin C in Fortified Formula Using Water Activity and Glass Transition, International Journal of Food Properties, 10:1, 61-71, DOI: 10.1080/10942910600717284

Lavelli, Vera, Bruno Zanoni, und Anna Zaniboni. "Effect of water activity on carotenoid degradation in dehydrated carrots". Lebensmittelchemie, Band 104, Ausgabe 4: 2007. Seiten 1705-1711.