Die meisten Pulver lassen sich jedoch anhand ihrer Molekülstruktur in drei Kategorien einteilen: amorph, kristallin oder eine Kombination aus beidem. Das Verhältnis von kristallinen zu amorphen Bestandteilen und deren Wechselwirkung beeinflussen nahezu alle Eigenschaften eines Pulvers.

Darüber hinaus hat die Partikelgröße einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von Pulvern (und die damit verbundenen häufigen Probleme). Überall dort, wo Pulverpartikel miteinander in Kontakt kommen, kann es zu Brückenbildung kommen – dem ersten Schritt zu Verklumpungen und Verbackungen. Je kleiner die Partikelgröße, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer Brückenbildung, die zu Verkleben, dann zu Agglomeration und weiteren Problemen führt. Kristalline Pulver können besonders schwierig sein, da ihre geordnete Struktur (bis zu einem gewissen Grad) nur zulässt, dass Feuchtigkeit an der Außenseite der Struktur haftet.

Untersuchungen zeigen, dass das Mischen zweier kristalliner Pulver mit unterschiedlichen Partikelgrößen dazu führen kann, dass die Mischung bei geringerer Wasseraktivität deliquesziert (sich von einem Feststoff in eine Flüssigkeit verwandelt) als jedes der einzelnen Pulver.

Amorphe Pulver weisen häufig Spalten und unregelmäßige Formen auf, wodurch Wasser leichter an ihre Partikel binden kann.

Feuchtigkeitsgehalt, Wasseraktivität und Pulverisothermen

Es gibt zwei wichtige wasserbezogene Messgrößen: den Feuchtigkeitsgehalt und die Wasseraktivität. Beide sind wichtig, um physikalische, chemische oder mikrobielle Stabilitätsprobleme in Pulvern zu verstehen.

Die meisten Menschen in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie sind mit dem Feuchtigkeitsgehalt vertraut. Für manche ist die Wasseraktivität möglicherweise ein neues Konzept. Der Feuchtigkeitsgehalt misst die Wassermenge. Die Wasseraktivität misst die Energie des Wassers – also, was kann das Wasser bewirken? Diese beiden Parameter werden auf völlig unterschiedliche Weise gemessen.

Der Feuchtigkeitsgehalt wird in Prozent der Gesamtmasse gemessen – im Wesentlichen also, wie viel der Probe auf Gewichtsbasis aus Wasser besteht.

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

Um die Wasseraktivität zu überprüfen, misst ein Gerät den Dampfdruck. Es kann hilfreich sein, sich die Wasseraktivität als die ausgeglichene Feuchtigkeit vorzustellen, die eine Probe abgibt.

Die Wasseraktivität wird oft fälschlicherweise als „Wasserverfügbarkeit“ definiert. Das ist nicht ganz richtig. Die Wasseraktivität ist ein thermodynamisches Prinzip – es handelt sich um die Energie des Wassers. Das ist wichtig zu wissen, da diese Energie für chemische Reaktionen, Texturveränderungen und andere Reaktionen genutzt werden kann.

Wenn die Beziehung zwischen Wasseraktivität und Feuchtigkeitsgehalt grafisch dargestellt wird, spricht man von einer Isotherme. In den richtigen Händen kann eine Isotherme eine Vielzahl wertvoller Informationen liefern. Unter anderem kann sie:

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

Schlüsselfaktoren für physische Stabilität

Um die physikalische Stabilität von Pulvern zu verstehen, müssen drei wichtige Faktoren berücksichtigt werden: Feuchtigkeit, Temperatur und Zeit.

Feuchtigkeit

Feuchtigkeit hat einen großen Einfluss auf die physikalische Stabilität. Wasser kann als Lösungsmittel oder Reaktionspartner fungieren – es kann sogar chemische Reaktionen puffern. Im Allgemeinen bedeutet mehr Feuchtigkeit schnellere Reaktionen, aber eine Isotherme kann spezifische Informationen für den jeweiligen Einzelfall liefern.

Temperatur

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

Zeit

Wenn man ihnen genügend Zeit lässt, werden alle Prozesse irgendwann abgeschlossen sein. Manche Prozesse verlaufen so langsam, dass sie kaum wahrnehmbar sind – beispielsweise das Verziehen von Scheiben in sehr alten Glasfenstern –, aber sie finden dennoch statt, selbst wenn Faktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit kontrolliert werden.

Fallstudie zur physikalischen Stabilität: Verklumpen und Verbacken in Gewürzmischungen

Wir wissen, dass die Wasseraktivität die Bewegung von Feuchtigkeit zwischen Substanzen beeinflusst. Aber wie stark bewegt sie sich, welche Gleichungen und Modelle können zur Vorhersage der Bewegung verwendet werden und wie genau ist die Vorhersage?

Das METER Food R&D Lab führte die folgende Untersuchung an sechs verschiedenen Gewürzmischungen durch, um Antworten auf die oben genannten Fragen zu finden.

Prozessübersicht:

1. Für jede einzelne Zutat wurde eine Isotherme erstellt.
2. Die Zutaten in bekannten Massenverhältnissen mischen (siehe Tabelle unten)
3. Vorhergesagter endgültiger Wasseraktivitätsgrad für jede Mischung unter Verwendung der Isothermen, mathematischen Gleichungen und Koeffizienten
4. Nach dem Ausgleich wurde der Wasseraktivitätsgrad jeder Gewürzmischung gemessen.
5. Die Vorhersagen mit den Messungen verglichen

Ergebnisse:

• Die Vorhersage mit Maisstärke und Zwiebelsalz lag extrem nahe an der endgültigen gemessenen Wasseraktivität.
  • Beide Inhaltsstoffe haben eine feine Partikelgröße, was in der Regel zu einem besseren Partikelkontakt und einer schnelleren Gleichgewichtseinstellung führt.
• Auch die Vorhersagen für andere Gewürzmischungen waren sehr genau.
• Die ungenaueste Vorhersage im Test kam von der Mischung aus Salbei, Kreuzkümmel und Oregano. Dennoch war sie mit einer Abweichung von nur 0,05 vom endgültigen gemessenen Wasseraktivitätswert bemerkenswert genau.

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

Der Aufbau einer Bibliothek mit Isothermen kann zunächst zeitaufwändig sein. Sobald diese jedoch erstellt sind, können Formulierer frei mit Rezepturanpassungen experimentieren, die endgültige Haltbarkeit und die Gleichgewichtswasseraktivität vorhersagen und Verpackungsentscheidungen von ihrem Schreibtisch aus treffen – ohne physikalische Untersuchungen durchführen zu müssen.

Schlüsselfaktoren für die chemische Stabilität

Hersteller müssen sich bewusst sein, wie die Wasseraktivität die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen beeinflussen kann – und welche Reaktionen die Haltbarkeit ihres Produkts beeinträchtigen. Ohne fundierte Kenntnisse über chemische Stabilität kann es leicht passieren, dass man größere Vorteile verspricht, als ein Produkt tatsächlich bieten kann.

Die Verfolgung chemischer Reaktionsgeschwindigkeiten kann kompliziert sein, ist aber möglich. Oft liegt es im Ermessen des Herstellers, zu entscheiden, wann die Haltbarkeitsgrenze erreicht ist. Um diesen Zeitpunkt genau zu bestimmen, sind einige der gleichen Informationen zur Haltbarkeitsvorhersage erforderlich, die in der oben genannten Fallstudie erwähnt wurden.

Fallstudie zur chemischen Stabilität: Abbau von Vitamin C

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

Die unten beschriebene Studie, 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 Prinzipien und Techniken lassen sich auf alle Substanzen anwenden, die im Laufe der Zeit zerfallen oder reagieren können.

Während der Studie wurde Ascorbinsäure zwei verschiedenen Wasseraktivitätsstufen und drei verschiedenen Temperaturen ausgesetzt. Der Abbau wurde mittels UV-Vis-Spektroskopie verfolgt und die Abbaurate berechnet. Ziel war es, herauszufinden, wie Temperatur und Wasseraktivität die Abbaurate beeinflussen.

Zunächst legte das Team fest, welche Temperaturen (30 °C, 40 °C und 50 °C) und Wasseraktivitätswerte (0,76 aw und 0,948 aw) angestrebt werden sollten. Anschließend wurde bestimmt, wann die Haltbarkeitsdauer als beendet gilt – in diesem Fall, wenn 75 % der ursprünglichen Vitamin-C-Menge übrig sind. Die erforderlichen Informationen wurden in das Moisture Analysis Toolkit eingegeben und eine beschleunigte Haltbarkeitsstudie durchgeführt, die zu folgenden Ergebnissen führte:

Schlüsselfaktoren für die mikrobielle Stabilität

Die Wasseraktivität ist ein hervorragendes Mittel, um das Wachstum von Mikroorganismen zu begrenzen. Bei einer Wasseraktivität unter 0,6 wächst nichts mehr.

Diese Tatsache vermittelt vielen Herstellern ein falsches Gefühl der Sicherheit – sie glauben, dass sie sich keine Sorgen um mikrobielle Kontamination machen müssen, wenn ihr Produkt einen niedrigen Wasseraktivitätsgrad aufweist. Dies ist eine gefährliche Annahme, die zu vielen Rückrufaktionen und Ausbrüchen bei Lebensmitteln wie Erdnussbutter, Mehl und Babynahrung geführt hat.

Wasseraktivität kann das Wachstum von Mikroorganismen verhindern, ist jedoch kein Abtötungsschritt. Mikroorganismen mit geringer Wasseraktivität können in Stasis überleben. Wenn sie einer Umgebung mit höherer Wasseraktivität ausgesetzt sind – beispielsweise durch das Einmischen von Mehl in Keksteig – können sie sich vermehren und gefährlich werden.

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

Obwohl es viele Möglichkeiten zur Bekämpfung von Mikroorganismen und Vorsichtsmaßnahmen gibt, bleibt das Thema komplex und herausfordernd. Derzeit wird intensiv an der Sterilisierung oder Pasteurisierung von Lebensmitteln mit geringem Feuchtigkeitsgehalt geforscht. Derzeit sind strenge Hygienevorschriften der wirksamste Weg, um Kontaminationen zu verhindern und mikrobielle Stabilität zu gewährleisten.

Weitere Ressourcen

Weitere Informationen zur Pulverwissenschaft finden Sie im folgenden kostenlosen On-Demand-Webinar. Darin befassen sich Dr. Zachary Cartwright und Mary Galloway eingehender mit den Themen Pulverfluss, Verklumpung, Molekülstruktur und Isothermen.