Die Wasseraktivität (_aw) leitet sich aus den Grundprinzipien der Thermodynamik und der physikalischen Chemie ab. Als thermodynamisches Prinzip gibt es Anforderungen an die Definition der Wasseraktivität, die erfüllt sein müssen. 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)

wobei: μ (J mol-1) das chemische Potential des Systems ist, d. h. die thermodynamische Aktivität oder Energie pro Mol der Substanz; μo das chemische Potential des reinen Materials bei der Temperatur T (°K) ist; 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 Spezies ist definiert als a = f/fo. Bei Wasser wird für die Substanz ein Index angegeben.

_aw = f/fo

_aw ist die Aktivität von Wasser oder die Entweichungsneigung von Wasser in einem System, geteilt durch die Entweichungsneigung von reinem Wasser ohne Krümmungsradius. Aus praktischen Gründen wird die Fugazität unter den meisten Bedingungen, unter denen Lebensmittel vorkommen, durch den Dampfdruck (f ≈ p) annähernd beschrieben, sodass

_aw = f/fo ≅ p/po

Ein Gleichgewicht wird in einem System erreicht, wenn μ überall im System gleich ist. Das Gleichgewicht zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase bedeutet, dass μ in beiden Phasen gleich ist. Aufgrund dieser Tatsache kann die Wasseraktivität der Probe durch Messung der Dampfphase bestimmt werden.

Die Wasseraktivität ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks von Wasser in einem Material (p) zum Dampfdruck von reinem Wasser (po) bei gleicher Temperatur. Die relative Luftfeuchtigkeit ist definiert als das Verhältnis des Dampfdrucks der Luft zu ihrem Sättigungsdampfdruck. Wenn Dampf- und Temperaturgleichgewicht erreicht sind, entspricht die Wasseraktivität der Probe der relativen Luftfeuchtigkeit der die Probe umgebenden Luft in einer versiegelten Messkammer. Durch Multiplikation der Wasseraktivität mit 100 erhält man die Gleichgewichtsrelative Luftfeuchtigkeit (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 beeinflussen:

1. Kolligative Effekte gelöster Stoffe (z. B. Salz oder Zucker) interagieren mit Wasser durch Dipol-Dipol-, Ionen- und Wasserstoffbrückenbindungen.
2. Der Kapillareffekt, bei dem der Dampfdruck von Wasser über einem gekrümmten Flüssigkeitsmeniskus aufgrund von Veränderungen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen geringer ist als der von reinem Wasser.
3. Oberflächenwechselwirkungen, bei denen Wasser durch Dipol-Dipol-Kräfte, Ionenbindungen (HO oder OH), Van-der-Waals-Kräfte (hydrophobe Bindungen) und Wasserstoffbrückenbindungen3– direkt mit chemischen Gruppen auf ungelösten Inhaltsstoffen (z. B. Stärke und Proteinen) interagiert.

Es ist eine Kombination dieser drei Faktoren in einem Lebensmittelprodukt, die die Energie des Wassers reduziert und somit die relative Feuchtigkeit im Vergleich zu reinem Wasser verringert. Diese Faktoren lassen sich in zwei große Kategorien einteilen: osmotische und matric-Effekte.

Aufgrund unterschiedlicher osmotischer und matricer Wechselwirkungen beschreibt die Wasseraktivität das Kontinuum der Energiezustände des Wassers in einem System. Das Wasser erscheint in unterschiedlichem Maße durch Kräfte „gebunden”. Es handelt sich dabei eher um ein Kontinuum von Energiezuständen als um eine statische „Gebundenheit”. Die Wasseraktivität wird manchmal als „freies“, „gebundenes“ oder „verfügbares Wasser“ in einem System definiert. Obwohl diese Begriffe leichter zu verstehen sind, können sie 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 entscheidender Faktor sein kann, erfolgt die Kontrolle in der Regel über den Zustand der Matrix. Da der Zustand der Matrix (glasartig vs. gummiartig) von der Temperatur abhängt, ist es nicht verwunderlich, dass die Temperatur die Wasseraktivität von Lebensmitteln beeinflusst. Die Auswirkung der Temperatur auf die Wasseraktivität eines Lebensmittels ist produktspezifisch._Bei einigen Produkten steigt die Wasseraktivität mit zunehmender Temperatur,_bei anderen sinkt_sie , während_bei den meisten Lebensmitteln mit hohem Feuchtigkeitsgehalt die Temperatur nur eine vernachlässigbare Auswirkung hat. Daher lässt sich nicht einmal die Richtung der Veränderung der Wasseraktivität mit der Temperatur vorhersagen, da dies davon abhängt, wie die Temperatur die Faktoren beeinflusst, die die Wasseraktivität in Lebensmitteln steuern.

Als potenzielle Energiemessung ist sie eine treibende Kraft für die Wasserbewegung von Regionen mit hoher Wasseraktivität zu Regionen mit geringer Wasseraktivität. Beispiele für diese dynamische Eigenschaft der Wasseraktivität sind: Feuchtigkeitswanderung in Lebensmitteln mit mehreren Bereichen (z. B. Cracker-Käse-Sandwich), die Bewegung von Wasser aus dem Boden zu den Blättern von Pflanzen und der Zellturgordruck. Da mikrobielle Zellen hochkonzentrierte gelöste Stoffe sind, die von semipermeablen Membranen umgeben sind, ist der osmotische Effekt auf die freie Energie des Wassers wichtig für die Bestimmung der mikrobiellen Wasserverhältnisse und damit ihrer Wachstumsraten.

Beherrsche die Grundlagen

In diesem 20-minütigen Webinar erfahren Sie alles Wesentliche über Wasseraktivitäten. Sie lernen:

• Was ist Wasseraktivität?
• Wie es sich vom Feuchtigkeitsgehalt unterscheidet
• Warum es das mikrobielle Wachstum kontrolliert
• Wie das Verständnis der Wasseraktivität Ihnen helfen kann, die Feuchtigkeit in Ihrem Produkt zu kontrollieren.