Die Wasseraktivität und der pH-Wert sind die beiden wichtigsten intrinsischen Faktoren, die darüber entscheiden, ob ein Produkt das Wachstum von verderbniserregenden Mikroorganismen begünstigt. Wasseraktivität und pH-Wert wirken synergistisch, wobei ihre kombinierten Effekte eine stärkere Kontrollwirkung haben als ihre individuellen Effekte. Dieser synergistische Effekt wird ausführlich in der Barrieretechnologie zur mikrobiellen Kontrolle beschrieben und ist ein wesentlicher Bestandteil der Definition der FDA für potenziell gefährliche Lebensmittel.

So können Sie die kombinierte Wirkung von Wasseraktivität und pH-Wert nutzen, um die Keimkontrolle mit milderen Konservierungsmethoden zu verbessern, was zu einer besseren Produkttextur und -qualität führen kann.

Wie Wasseraktivität das Wachstum von Mikroorganismen verhindert

Wie alle Organismen sind auch Mikroorganismen für ihr Wachstum auf Wasser angewiesen. Sie nehmen Wasser auf, indem sie es durch die Zellmembran transportieren. Dieser Mechanismus der Wasserbewegung hängt von einem Wasseraktivitätsgradienten ab – Wasser wandert 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 wird, verursacht dies osmotischen Stress: Die Zelle kann kein Wasser mehr aufnehmen und wird inaktiv. Die Mikroorganismen werden nicht eliminiert, sondern können sich nur nicht mehr vermehren. Verschiedene Organismen gehen unterschiedlich mit osmotischem Stress um. Deshalb gibt es für jeden Organismus unterschiedliche Wachstumsgrenzen. Einige Schimmel- und Hefearten haben sich daran angepasst, sehr niedrige Wasseraktivitätswerte zu überstehen.

Jeder Organismus hat eine bestimmte Wasseraktivität, bei der er aufhört zu wachsen. Solange Produktentwickler die Wasseraktivität unter diesem Grenzwert halten, vermehrt sich die betreffende Mikrobe nicht so stark, dass sie Infektionen oder Krankheiten verursachen kann. Siehe Tabelle 1.

Die Grenzen des Mikrobenwachstums machen die Wasseraktivität zu einem hervorragenden Instrument zur Gewährleistung der Sicherheit von Lebensmitteln, und die Messung der Wasseraktivität kann als kritischer Kontrollpunkt in HACCP-Plänen verwendet werden.

Synergiepotenziale

Die Wachstumsgrenzen in Tabelle 1 gehen davon aus, dass alle anderen Bedingungen (pH-Wert, Temperatur usw.) für das Wachstum des Organismus optimal sind. Wenn jedoch die wachstumshemmenden 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 pH?

Der pH-Wert ist ein Maß für den Säuregrad oder die Alkalität einer Lösung. Werte zwischen 0 und 7 weisen auf Säure hin, Werte zwischen 7 und 14 auf Alkalität. Destilliertes Wasser, das neutral ist, hat einen pH-Wert von 7. Lebensmittel sind in der Regel entweder neutral oder sauer.

Mikroben haben pH-Wert-Grenzen für ihr Wachstum

Genau wie bei der Wasseraktivität gibt es auch bei 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 einen neutralen pH-Wert für optimales Wachstum, können aber auch bei saureren pH-Werten wachsen. Die meisten von ihnen hören bei einem pH-Wert von 5,0 auf zu wachsen. Einige Mikroorganismen können bis zu 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 pH-Werten von bis zu 4,2 wachsen können.

Verwendungszwecke für die pH-Einstellung

Aufgrund der Grenzen des Mikrobenwachstums 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. Darüber hinaus passen einige Hersteller den pH-Wert an, um den Geschmack zu verändern. Dies geschieht häufig durch Einlegen oder Fermentieren, wobei mikrobielle Prozesse, enzymatische Reaktionen oder Säuren wie Essig genutzt werden, um die Produktion von Milchsäure anzuregen. Viele chemische Reaktionen sind pH-abhängig und können durch Anpassung des pH-Werts verhindert oder kontrolliert werden.

Wasseraktivität und pH-Wert – gemeinsam noch wirkungsvoller

Die Auswirkungen der Wasseraktivität und des pH-Werts können durch die Barrieretechnologie kombiniert werden, um Mikroorganismen wirksamer zu bekämpfen. Im Falle der Wasseraktivität und des pH-Werts ist die kombinierte Wirkung beider Barrieren größer als die Wirkung jeder einzelnen Barriere. Das bedeutet, dass Sie eine wirksame mikrobielle Kontrolle auf einem Niveau erreichen können, das normalerweise für den pH-Wert oder die Wasseraktivität allein als unsicher gelten würde.  Der derzeit gültige Lebensmittelkodex von 2013 enthält Tabellen zur Wechselwirkung zwischen pH-Wert und Wasseraktivität (siehe Tabellen 3 und 4), anhand derer bestimmt werden kann, ob ein Lebensmittel aus Sicherheitsgründen einer Zeit- und Temperaturkontrolle (TCS) unterzogen werden muss.

Tabelle 3 gilt für Lebensmittel, die zur Abtötung von Mikroorganismen wärmebehandelt und anschließend verpackt wurden. Eine Verringerung der Wasseraktivität und des pH-Werts sind keine Abtötungsschritte.  Sie beseitigen Mikroorganismen nicht. Sie verhindern lediglich das Wachstum von Mikroben bis zu toxischen Konzentrationen. Da durch die Wärmebehandlung alle Mikroorganismen mit Ausnahme sporenbildender Bakterien abgetötet werden, 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 oder wärmebehandelt und unverpackt sind. In der Regel müssen diese Produkte eine Wasseraktivität von weniger als 0,88 oder einen pH-Wert von weniger als 4,2 aufweisen, um als sicher zu gelten. Bei einer Kombination aus Wasseraktivität und pH-Wert können jedoch auch höhere Werte akzeptabel sein.

Tabelle 5 zeigt die Wasseraktivität und den pH-Wert einiger gängiger Lebensmittel. Erdbeerkonfitüre hat eine sehr hohe Wasseraktivität, aber einen recht niedrigen pH-Wert. Aufgrund des enthaltenen Zitronensäuregehalts ist der pH-Wert niedrig genug, um das Wachstum von Mikroorganismen zu verhindern, obwohl die Wasseraktivität hoch ist. Senf hat ebenfalls einen sehr niedrigen pH-Wert, aber eine hohe Wasseraktivität. Diese Produkte sind aufgrund ihres pH-Werts sicher, nicht aufgrund ihrer Wasseraktivität. Ahornsirup hat einen hohen Zuckergehalt, daher ist seine Wasseraktivität geringer, aber sein pH-Wert ist relativ neutral. In diesem Fall ist es die Wasseraktivität, die für die Sicherheit sorgt, nicht der pH-Wert.

Abbildung 1 zeigt, dass es keine direkte Beziehung zwischen Wasseraktivität und pH-Wert gibt, wenn diese beiden Werte zusammen grafisch dargestellt werden. Wenn einem Produkt Säure zugesetzt wird, um seinen pH-Wert zu senken, hat dies einen gewissen Einfluss auf die Wasseraktivität, da saure Stoffe tendenziell polar sind und bevorzugt mit Wasser interagieren. Im Wesentlichen führt eine Senkung des pH-Werts jedoch nicht zu einer direkten Senkung der Wasseraktivität.

Wie man die Wasseraktivität kontrolliert

Die gängigste Methode, um die Wasseraktivität eines Produkts zu senken, ist das Trocknen oder Backen. (Beachten Sie jedoch, dass Sie dazu zunächst die Feuchtigkeitsaufnahmeisotherme des Produkts verstehen müssen). Die Wasseraktivität kann auch durch Zugabe von Feuchthaltemitteln wie Salz, Zucker, Maissirup mit hohem Fruktosegehalt, Sorbit und Maltodextrin gesteuert werden.

Gängige Methoden zur pH-Kontrolle

Die gängigste Methode zur Senkung des pH-Werts ist die Fermentation. Bei der Fermentierung produzieren „gute“ Bakterien Milchsäure, die den pH-Wert des Produkts senkt und das Wachstum anderer Organismen verhindert. Bei Essiggurken, Sauerkraut, fermentierten Würsten und Oliven wird diese Methode angewendet. Der pH-Wert kann auch durch die direkte Zugabe von Säure (Essig, Milchsäure, Zitronensäure) zum Produkt oder durch die Zugabe von natürlich sauren Zutaten wie Tomaten in Spaghettisoße reguliert werden.

Wasseraktivität und pH-Wert – schnelle und einfache Messungen

Wasseraktivität und pH-Wert sind zwei Messgrößen, die besser zusammen betrachtet werden sollten. Beide lassen sich mit handelsüblichen Wasseraktivitätsmessgeräten und pH-Messgeräten leicht messen.

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